Forskere Oppdager Ny Måte å Regne 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 av sitt slag, og den kan føre til en helt ny måte å utføre beregninger på. 

Forskningen ble publisert i Science Advances.

Selv om den nye teknikken ikke vil føre til transistorer eller datamaskiner med en gang, kan den gå langt i å skape enheter med nye funksjoner innen beregning, sensing og robotikk.

Juan de Pablo er en Liew Family Professor i molekylær ingeniørvitenskap og seniorforsker ved Argonne National Laboratory. Han er også seniorforfatter av forskningen. 

“Vi viste at man kan skape de grunnleggende byggesteinene for en krets — porter, forsterkere og ledere — som betyr at man skal kunne montere dem i arrangementer som kan utføre mer komplekse operasjoner,” sa Juan de Pablo. “Dette er et veldig spennende skritt for feltet aktivt materiale.”

Flytende Krystaller

Forskningen konsentrerte seg mye om en type materiale som kalles flytende krystall. En av de unike egenskapene til flytende krystall er at molekylene vanligvis er forlengede, og de tar en noe ordenlig struktur når de pakkes sammen. Men denne strukturen kan skifte rundt likt en væske, og forskere kan bruke unike egenskaper som denne til å bygge nye teknologier. 

De forskjellige molekylære ordningene betyr at det finnes steder i alle flytende krystaller hvor de ordenlige regionene kan komme i kontakt med hverandre. Ettersom deres orienteringer ikke matcher perfekt, kalles det “topologiske feil”, og stedene beveger seg rundt når flytende krystallen også beveger seg. 

Forskergruppen utforsker om disse feilene kan brukes til å bære informasjon. For å kunne bygge teknologi ut av dem, ville det være nødvendig å kunne flytte dem rundt hvor man ønsker, og det har vært ekstremt vanskelig å kontrollere deres atferd inntil nå.

“Vanligvis, hvis du ser gjennom et mikroskop på et eksperiment med en aktiv flytende krystall, ville du se fullstendig kaos — feil som skifter rundt overalt,” sa Juan.

Gjennombruddet

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

Forskergruppen oppdaget en rekke teknikker som kunne brukes til å kontrollere de topologiske feilene. Hvis de kontrollerte hvor de satte energi inn i flytende krystallen, som ble gjort ved å lyse lys på bestemte områder, kunne feilene ledes i bestemte retninger. 

“Disse har mange av egenskapene til elektroner i en krets — vi kan flytte dem lange avstander, forsterke dem og lukke eller åpne deres transport som i en transistorport, som betyr at vi kunne bruke dem til relativt sofistikerte operasjoner,” sa Zhang.

Selv om beregningene tyder på at systemene kunne brukes til beregninger, ville de sannsynligvis være mer nyttige i feltet soft-robotikk. Forskergruppen tror de kunne skape soft-roboter som utfører noen av sine egne “tenkning” med hjelp av aktive flytende krystaller. 

De håper også at de topologiske feilene kunne brukes til å transportere små mengder væske eller andre materialer inni små enheter. 

“For eksempel kunne man utføre funksjoner inni en syntetisk celle,” sa Zhang. 

Forskergruppen inkluderer også medforfatter og UChicago-postdoktorforsker Ali Mozaffari. Forskergruppen vil nå arbeide for å utføre eksperimenter for å bekrefte teoretiske funn.