Onderzoekers ontdekken nieuwe manier van rekenen met vloeibare kristallen

Onderzoekers aan de University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering hebben aangetoond hoe ze de basiselementen nodig voor logische operaties kunnen ontwerpen met een materiaal genaamd vloeibare kristallen. De nieuwe ontwikkeling is de eerste van zijn soort en kan leiden tot een geheel nieuwe manier van berekeningen uitvoeren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Science Advances.

Hoewel de nieuwe techniek niet meteen tot transistors of computers zal leiden, kan het een lange weg afleggen bij het creëren van apparaten met nieuwe functies in berekeningen, sensoren en robotica.

Juan de Pablo is een Liew Family Professor in Molecular Engineering en senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory. Hij is ook de senior auteur van het onderzoek.

“We hebben aangetoond dat je de elementaire bouwstenen van een circuit kunt creëren – poorten, versterkers en geleiders – wat betekent dat je ze zou moeten kunnen assembleren in arrangementen die in staat zijn om complexere operaties uit te voeren”, zei Juan de Pablo. “Het is een echt spannende stap voor het veld van actieve materialen.”

Vloeibare Kristallen

Het onderzoek richtte zich voornamelijk op een type materiaal genaamd vloeibare kristallen. Een van de unieke eigenschappen van vloeibare kristallen is dat hun moleculen meestal verlengd zijn en een enigszins geordende structuur aannemen wanneer ze samen zijn gepakt. Echter, deze structuur kan zich verplaatsen zoals een vloeistof, en wetenschappers kunnen unieke eigenschappen zoals deze gebruiken om nieuwe technologieën te bouwen.

De verschillende moleculaire ordening betekent dat er plekken zijn in alle vloeibare kristallen waar de geordende gebieden met elkaar in contact kunnen komen. Aangezien hun oriëntaties niet perfect overeenkomen, noemen wetenschappers het “topologische defecten”, en de plekken bewegen zich rond terwijl het vloeibare kristal ook beweegt.

Het team van wetenschappers onderzoekt of deze defecten gebruikt kunnen worden om informatie over te dragen. Om technologie te creëren uit hen zou echter de mogelijkheid vereist zijn om ze te verplaatsen waar gewenst, en het is extreem moeilijk gebleken om hun gedrag te controleren tot nu toe.

“Normaal gesproken, als je door een microscoop kijkt naar een experiment met een actief vloeibaar kristal, zou je complete chaos zien – defecten die overal heen schuiven”, zei Juan.

De Doorbraak

De doorbraak kwam vorig jaar met een project in Pablo’s lab onder leiding van Rui Zhang, die een postdoctorale onderzoeker was aan de Pritzker School of Molecular Engineering. Hij werkte samen met Prof. Margaret Gardel’s lab van UChicago en Prof. Zev Bryant’s lab van Stanford.

Het team ontdekte een reeks technieken die gebruikt konden worden om de topologische defecten te controleren. Als ze controleerden waar ze energie in het vloeibare kristal stopten, wat werd gedaan door licht op specifieke gebieden te schijnen, konden de defecten in specifieke richtingen worden geleid.

“Deze hebben veel van de kenmerken van elektronen in een circuit – we kunnen ze over lange afstanden verplaatsen, versterken en openen of sluiten van hun transport zoals in een transistorpoort, wat betekent dat we ze zouden kunnen gebruiken voor relatief geavanceerde operaties”, zei Zhang.

Hoewel berekeningen suggereren dat de systemen gebruikt kunnen worden voor berekeningen, zouden ze waarschijnlijk meer nuttig zijn op het gebied van zachte robotica. Het team gelooft dat ze zachte robotica kunnen creëren die enkele van hun eigen “denken” uitvoeren met de hulp van actieve vloeibare kristallen.

Ze hopen ook dat de topologische defecten gebruikt kunnen worden om kleine hoeveelheden vloeistof of andere materialen te transporteren in kleine apparaten.

“Bijvoorbeeld, misschien kun je functies uitvoeren binnen een synthetische cel”, zei Zhang.

Het onderzoeksteam omvat ook co-auteur en UChicago-postdoctorale onderzoeker Ali Mozaffari. Het team zal nu experimenteren om theoretische bevindingen te bevestigen.