Forscher entdecken neue Methode für Rechnungen mit Flüssigkristallen

Forscher an der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering haben gezeigt, wie man die grundlegenden Elemente für Logikoperationen mit einem Material namens Flüssigkristall entwerfen kann. Die neue Entwicklung ist die erste ihrer Art und könnte zu einer völlig neuen Methode für Rechnungen führen.

Die Forschung wurde in Science Advances.

Während die neue Technik nicht sofort zu Transistoren oder Computern führen wird, könnte sie weitreichend dazu beitragen, Geräte mit neuen Funktionen in der Rechnung, Sensierung und Robotik zu schaffen.

Juan de Pablo ist Liew Family Professor für Molekültechnik und Senior Scientist am Argonne National Laboratory. Er ist auch Senior-Autor der Forschung.

“Wir haben gezeigt, dass man die elementaren Bausteine eines Schaltkreises – Tore, Verstärker und Leiter – erstellen kann, was bedeutet, dass man sie in Anordnungen zusammenbauen kann, die komplexere Operationen ausführen können”, sagte Juan de Pablo. “Es ist ein wirklich aufregender Schritt für das Feld der aktiven Materialien.”

Flüssigkristalle

Die Forschung konzentrierte sich stark auf ein Material namens Flüssigkristall. Eine der einzigartigen Eigenschaften von Flüssigkristallen ist, dass ihre Moleküle normalerweise verlängert sind und eine bestimmte Ordnung annehmen, wenn sie zusammengepackt werden. Diese Struktur kann sich jedoch ändern, ähnlich wie bei einer Flüssigkeit, und Wissenschaftler können diese Eigenschaften nutzen, um neue Technologien zu entwickeln.

Die unterschiedliche molekulare Ordnung bedeutet, dass es in allen Flüssigkristallen Bereiche gibt, in denen die geordneten Regionen in Kontakt miteinander treten können. Da ihre Ausrichtungen nicht perfekt übereinstimmen, nennen Wissenschaftler dies “topologische Defekte”, und diese Bereiche bewegen sich, wenn sich der Flüssigkristall auch bewegt.

Das Team von Wissenschaftlern erforscht, ob diese Defekte zur Übertragung von Informationen verwendet werden können. Um jedoch Technologien aus ihnen zu entwickeln, müsste man in der Lage sein, sie zu kontrollieren und an bestimmten Stellen zu platzieren, was bisher sehr schwierig war.

“Normalerweise würde man, wenn man durch ein Mikroskop auf ein Experiment mit einem aktiven Flüssigkristall schaut, völliges Chaos sehen – Defekte, die überall herumlaufen”, sagte Juan.

Durchbruch

Der Durchbruch kam im letzten Jahr mit einem Projekt in Pablos Labor, das von Rui Zhang, einem Postdoktoranden an der Pritzker School of Molecular Engineering, geleitet wurde. Er arbeitete zusammen mit Prof. Margaret Gardels Labor von der UChicago und Prof. Zev Bryants Labor von Stanford.

Das Team entdeckte eine Reihe von Techniken, die zur Kontrolle der topologischen Defekte verwendet werden können. Wenn sie die Energie an bestimmten Stellen in den Flüssigkristall einbrachten, indem sie Licht auf bestimmte Bereiche strahlten, konnten die Defekte in bestimmte Richtungen gelenkt werden.

“Diese haben viele der Eigenschaften von Elektronen in einem Schaltkreis – wir können sie über weite Strecken bewegen, verstärken und ihre Übertragung wie in einem Transistorschaltkreis öffnen oder schließen, was bedeutet, dass wir sie für relativ komplexe Operationen verwenden könnten”, sagte Zhang.

Während Berechnungen nahelegen, dass die Systeme für Rechnungen verwendet werden könnten, wären sie wahrscheinlich nützlicher im Bereich der weichen Robotik. Das Team glaubt, dass sie weiche Roboter entwickeln könnten, die mit Hilfe von aktiven Flüssigkristallen einiges von ihrem eigenen “Denken” ausführen können.

Sie hoffen auch, dass die topologischen Defekte zur Übertragung kleiner Mengen an Flüssigkeit oder anderen Materialien in winzigen Geräten verwendet werden können.

“Vielleicht könnte man beispielsweise Funktionen innerhalb einer synthetischen Zelle ausführen”, sagte Zhang.

Das Forschungsteam umfasst auch den Co-Autor und UChicago-Postdoktoranden Ali Mozaffari. Das Team wird nun daran arbeiten, Experimente durchzuführen, um die theoretischen Ergebnisse zu bestätigen.