Forskere oppdager ny måte å regne på med flytende krystall

Forskere ved University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering har demonstrert hvordan man kan designe de grunnleggende elementene som trengs for logiske operasjoner med et materiale som kalles flytende krystall. Den nye utviklingen er den første i sitt slag, og den kan føre til en helt ny måte å utføre beregninger på. 

Forskningen ble publisert i Vitenskap Fremskritt.

Selv om den nye teknikken ikke vil resultere i transistorer eller datamaskiner med en gang, kan den gå langt i å lage enheter med nye funksjoner innen databehandling, sansing og robotikk.

Juan de Pablo er en Liew-familieprofessor i molekylærteknikk og seniorforsker ved Argonne National Laboratory. Han er også seniorforfatter av forskningen. 

"Vi viste at du kan lage de grunnleggende byggeklossene til en krets - porter, forsterkere og ledere - som betyr at du bør være i stand til å sette dem sammen til arrangementer som er i stand til å utføre mer komplekse operasjoner," sa Juan de Pablo. "Det er et veldig spennende skritt for feltet av aktive materialer."

Flytende krystaller

Forskningen fokuserte sterkt på en type materiale kalt flytende krystall. En av de unike egenskapene til en flytende krystall er at dens molekyler vanligvis er langstrakte, og de antar en noe ordnet struktur når de pakkes sammen. Imidlertid kan denne strukturen endre seg på samme måte som flytende, og forskere kan bruke unike egenskaper som dette for å bygge nye teknologier. 

Den forskjellige molekylrekkefølgen betyr at det er flekker i alle flytende krystaller hvor de ordnede områdene kan komme i kontakt med hverandre. Siden deres orienteringer ikke samsvarer perfekt, kaller forskerne det "topologiske defekter", og flekkene beveger seg rundt når flytende krystaller også beveger seg. 

Teamet av forskere undersøker om disse defektene kan brukes til å bære informasjon. Når det er sagt, ville det å lage teknologi ut av dem kreve evnen til å flytte dem rundt der de ville, og det har vært ekstremt vanskelig å kontrollere oppførselen deres frem til dette punktet.

"Vanligvis, hvis du ser gjennom et mikroskop på et eksperiment med en aktiv flytende krystall, vil du se fullstendig kaos - defekter som skifter rundt over alt," sa Juan.

Gjennombruddet

Gjennombruddet kom i fjor med et prosjekt i Pablos laboratorium ledet av Rui Zhang, som var postdoktor ved Pritzker School of Molecular Engineering. Han jobbet sammen med Prof. Margaret Gardels laboratorium fra UChicago og Prof. Zev Bryants laboratorium fra Stanford. 

Teamet oppdaget et sett med teknikker som kunne brukes til å kontrollere de topologiske defektene. Hvis de kontrollerte hvor de la energi inn i den flytende krystallen, noe som ble gjort ved å skinne lys på bestemte områder, kunne defektene ledes i bestemte retninger. 

"Disse har mange av egenskapene til elektroner i en krets - vi kan flytte dem over lange avstander, forsterke dem og stenge eller åpne transporten deres som i en transistorport, noe som betyr at vi kan bruke dem til relativt sofistikerte operasjoner," sa Zhang.

Mens beregninger tyder på at systemene kan brukes til beregninger, vil de mest sannsynlig være mer nyttige innen myk robotikk. Teamet tror de kan lage myk robotikk som utfører noe av deres egen "tenkning" ved hjelp av aktive flytende krystaller. 

De håper også at de topologiske defektene kan brukes til å transportere små mengder væske eller andre materialer inne i små enheter. 

"For eksempel kan man kanskje utføre funksjoner inne i en syntetisk celle," sa Zhang. 

Forskerteamet inkluderer også medforfatter og UChicago postdoktor Ali Mozaffari. Teamet vil nå jobbe med å gjennomføre eksperimenter for å bekrefte teoretiske funn.