Onderzoekers ontdekken nieuwe manier van rekenen met vloeibare kristallen

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

Het onderzoek werd gepubliceerd in Science Advances.

Hoewel de nieuwe techniek niet direct tot transistors of computers zal leiden, kan het een belangrijke stap zijn in het creëren van apparaten met nieuwe functionaliteiten in berekeningen, sensing en robotica.

Juan de Pablo is een Liew Family Professor in Molecular Engineering en senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory. Hij is ook 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 worden gepakt. Echter, deze structuur kan zich verplaatsen zoals een vloeistof, en wetenschappers kunnen deze unieke eigenschappen gebruiken om nieuwe technologieën te ontwikkelen.

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 dit “topologische defecten”, en deze plekken verplaatsen zich wanneer het vloeibare kristal zich ook verplaatst.

Het team van wetenschappers onderzoekt of deze defecten kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen. Om deze technologie te creëren, zou het nodig zijn om de defecten te kunnen verplaatsen waar nodig, en het is tot nu toe extreem moeilijk geweest om hun gedrag te controleren.

“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 konden worden gebruikt om de topologische defecten te controleren. Als ze de energie in het vloeibare kristal konden controleren, 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 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 zouden kunnen worden gebruikt voor berekeningen, zouden ze waarschijnlijk meer nuttig zijn in het veld van zachte robotica. Het team gelooft dat ze zachte robotica zouden kunnen creëren die enige van hun eigen “denken” kunnen uitvoeren met de hulp van actieve vloeibare kristallen.

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

“Bijvoorbeeld, misschien zou je functies kunnen 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.