Tutkijat löytävät uuden tavan laskennan suorittamiseen nestekideillä

Chicagon yliopiston Pritzkerin molekyylitekniikan kouluun kuuluvat tutkijat ovat osoittaneet, miten suunnitella peruselementit logiikkaoperaatioita varten nestekide-nimisellä materiaalilla. Tämä uusi kehitys on ensimmäinen laatuaan, ja se voi johtaa täysin uudenlaiseen laskentatapaan.

Tutkimus julkaistiin Science Advances -julkaisussa.

Vaikka uusi tekniikka ei johtaisi transistoreiden tai tietokoneiden kehittymiseen välittömästi, se voi edistää laitteiden kehittymistä, joilla on uusia toimintoja laskennassa, anturitoiminnassa ja robottiikassa.

Juan de Pablo on Liewin perheen professori molekyylitekniikassa ja vanhempi tutkija Argonne National Laboratoryssa. Hän on myös tutkimuksen seniorkirjoittaja.

“Osoitimme, että voimme luoda perusrakenteita piirille – portit, vahvistimet ja johtimet – mikä tarkoittaa, että niitä pitäisi voida koota järjestelmiksi, jotka kykenevät suorittamaan monimutkaisempia operaatioita”, sanoi Juan de Pablo. “Se on erittäin jännittävä askel aktiivisten materiaalien alalla.”

Nestekiteet

Tutkimus keskittyi voimakkaasti nestekide-nimiseen materiaaliin. Yksi nestekiteen ainutlaatuisista ominaisuuksista on, että sen molekyylit ovat yleensä pitkiä ja ne ottavat jonkinlaisen järjestäytyneen rakenteen, kun ne pakataan yhteen. Tämä rakenne kuitenkin voi muuttua nestemäisenä, ja tutkijat voivat käyttää tällaisia ominaisuuksia uusien teknologioiden kehittämiseen.

Molekulaarisen järjestyksen ero tarkoittaa, että nestekiteissä on kohdissa, joissa järjestäytyneet alueet voivat olla kosketuksissa toisiinsa. Koska niiden suuntautumiset eivät täsmää täysin, tutkijat kutsuvat tätä “topologisiksi virheiksi”, ja nämä kohdat liikkuvat nestekiteen liikkuessa.

Tutkijaryhmä tutkii, voitaisiinko näitä virheitä käyttää tietojen siirtämiseen. Sanottuna, teknologian luominen niistä edellyttäisi kykyä siirtää niitä haluttuihin paikkoihin, ja se on ollut erittäin vaikeaa ohjata niiden käyttäytymistä tähän asti.

“Normaalisti, jos katsot mikroskoopin läpi kokeen, jossa on aktiivinen nestekide, näet täydellisen kaaoksen – virheet liikkuvat kaikkialla”, sanoi Juan.

Läpimurto

Läpimurto tapahtui viime vuonna Pabloin laboratoriossa, jonka johti Rui Zhang, joka oli postdoc-tutkija Pritzkerin molekyylitekniikan koulussa. Hän työskenteli yhdessä Prof. Margaret Gardelin laboratorion kanssa UChicagosta ja Prof. Zev Bryantin laboratorion kanssa Stanfordin yliopistosta.

Tutkijaryhmä keksi joukon tekniikoita, joita voidaan käyttää topologisten virheiden ohjaamiseen. Jos he ohjasivat, mihin nestekide sisällyttiin energiaa, mikä tehtiin valaisevalla valolla tiettyihin alueisiin, virheet voitiin ohjata tiettyihin suuntiin.

“Nämä ovat monilla tavoin samanlaisia kuin elektronit piirissä – voimme siirtää niitä pitkiä matkoja, vahvistaa niitä ja avata tai sulkea niiden kuljetuksen kuin transistorin portilla, mikä tarkoittaa, että voimme käyttää niitä suhteellisen monimutkaisten operaatioiden suorittamiseen”, sanoi Zhang.

Vaikka laskelmat osoittavat, että järjestelmät voitaisiin käyttää laskentaan, ne olisivat todennäköisesti hyödyllisempiä pehmeän robottiikan alalla. Tutkijaryhmä uskoo, että he voivat luoda pehmeitä roboteja, jotka suorittavat joitakin omia “ajatteluprosesseja” aktiivisten nestekiteiden avulla.

He myös toivovat, että topologiset virheet voitaisiin käyttää siirtämään pieniä nestemäisiä tai muita materiaaleja pieniin laitteisiin.

“Esimerkiksi ehkä voisi suorittaa toimintoja synteettisessä solussa”, sanoi Zhang.

Tutkimusryhmään kuuluu myös yhteiskirjoittaja ja UChicagon postdoc-tutkija Ali Mozaffari. Tutkijaryhmä aikoo nyt toteuttaa kokeita teoreettisten löytöjen vahvistamiseksi.