I ricercatori scoprono un nuovo modo di calcolare con cristalli liquidi

I ricercatori della Scuola di Ingegneria Molecolare Pritzker dell’Università di Chicago hanno dimostrato come progettare gli elementi di base necessari per le operazioni logiche con un materiale chiamato cristallo liquido. La nuova scoperta è la prima del suo genere e potrebbe portare a un nuovo modo di eseguire calcoli.

La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.

Sebbene la nuova tecnica non porterà immediatamente a transistor o computer, potrebbe andare a lungo nel creare dispositivi con nuove funzioni nel calcolo, nel rilevamento e nella robotica.

Juan de Pablo è un professore di Ingegneria Molecolare e scienziato senior presso il Laboratorio Nazionale Argonne. È anche autore senior della ricerca.

“Abbiamo mostrato che è possibile creare i blocchi elementari di un circuito – porte, amplificatori e conduttori – il che significa che dovrebbe essere possibile assemblarli in disposizioni in grado di eseguire operazioni più complesse”, ha detto Juan de Pablo. “È un passo davvero emozionante per il campo dei materiali attivi.”

Cristalli Liquidi

La ricerca si è concentrata fortemente su un tipo di materiale chiamato cristallo liquido. Una delle proprietà uniche di un cristallo liquido è che le sue molecole sono solitamente allungate e adottano una struttura ordinata quando sono impacchettate insieme. Tuttavia, questa struttura può spostarsi simile a un liquido e gli scienziati possono utilizzare proprietà uniche come questa per costruire nuove tecnologie.

L’ordine molecolare diverso significa che ci sono punti in tutti i cristalli liquidi dove le regioni ordinate possono venire a contatto l’una con l’altra. Poiché le loro orientazioni non corrispondono perfettamente, gli scienziati li chiamano “difetti topologici” e i punti si muovono intorno mentre il cristallo liquido si muove.

Il team di scienziati sta esplorando se questi difetti potrebbero essere utilizzati per trasportare informazioni. Tuttavia, creare tecnologie con essi richiederebbe la capacità di spostarli dove si desidera e fino a questo punto è stato estremamente difficile controllare il loro comportamento.

“Normalmente, se si guarda attraverso un microscopio un esperimento con un cristallo liquido attivo, si vedrebbe il caos completo – difetti che si spostano ovunque”, ha detto Juan.

La Svolta

La svolta è arrivata l’anno scorso con un progetto nel laboratorio di Pablo guidato da Rui Zhang, che era uno scienziato post-dottorato alla Scuola di Ingegneria Molecolare Pritzker. Ha lavorato insieme al laboratorio del prof. Margaret Gardel dell’UChicago e al laboratorio del prof. Zev Bryant di Stanford.

Il team ha scoperto un set di tecniche che potrebbero essere utilizzate per controllare i difetti topologici. Se controllavano dove mettevano l’energia nel cristallo liquido, il che è stato fatto illuminando aree specifiche, i difetti potevano essere guidati in direzioni specifiche.

“Questi hanno molte delle caratteristiche degli elettroni in un circuito – possiamo spostarli a lunghe distanze, amplificarli e aprire o chiudere il loro trasporto come in una porta del transistor, il che significa che potremmo utilizzarli per operazioni relativamente sofisticate”, ha detto Zhang.

Sebbene i calcoli suggeriscano che i sistemi potrebbero essere utilizzati per calcoli, sarebbero probabilmente più utili nel campo della robotica morbida. Il team ritiene che potrebbero creare robotica morbida che esegue parte del proprio “pensiero” con l’aiuto di cristalli liquidi attivi.

Sperano anche che i difetti topologici potrebbero essere utilizzati per trasportare piccole quantità di liquido o altri materiali all’interno di dispositivi minuscoli.

“Ad esempio, forse si potrebbe eseguire funzioni all’interno di una cellula sintetica”, ha detto Zhang.

Il team di ricerca include anche il coautore e il ricercatore post-dottorato dell’UChicago Ali Mozaffari. Il team lavorerà ora per eseguire esperimenti per confermare i risultati teorici.