Naukowcy odkrywają nowy sposób obliczeń z użyciem kryształów ciekłych

Naukowcy z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering udowodnili, jak zaprojektować podstawowe elementy potrzebne do operacji logicznych z materiałem zwanym kryształem ciekłym. Nowy rozwój jest pierwszym tego rodzaju i może prowadzić do całkowicie nowego sposobu wykonywania obliczeń.

Badania zostały opublikowane w Science Advances.

Nowa technika nie doprowadzi od razu do transzystorów czy komputerów, ale może znacznie przyczynić się do tworzenia urządzeń z nowymi funkcjami w zakresie obliczeń, czujników i robotyki.

Juan de Pablo jest profesorem na Wydziale Inżynierii Molekularnej i starszym naukowcem w Argonne National Laboratory. Jest również głównym autorem badań.

“Pokazaliśmy, że można utworzyć podstawowe elementy budulcowe obwodu – bramki, wzmacniacze i przewody – co oznacza, że powinno się je można zestawić w układy zdolne do wykonywania bardziej złożonych operacji”, powiedział Juan de Pablo. “To bardzo ekscytujący krok dla dziedziny materiałów aktywnych.”

Kryształy ciekłe

Badania koncentrowały się głównie na rodzaju materiału zwanym kryształem ciekłym. Jedną z unikalnych właściwości kryształu ciekłego jest to, że jego cząsteczki są zwykle wydłużone i przyjmują częściowo uporządkowaną strukturę, gdy są upakowane razem. Jednak ta struktura może się przesuwać podobnie jak ciecz, a naukowcy mogą wykorzystywać takie właściwości, aby tworzyć nowe technologie.

Różna uporządkowanie molekularne oznacza, że w wszystkich kryształach ciekłych są miejsca, w których uporządkowane obszary mogą się stykać ze sobą. Ponieważ ich orientacje nie pasują idealnie, naukowcy nazywają to “wadami topologicznymi”, a te miejsca poruszają się, gdy kryształ ciekły się porusza.

Zespół naukowców bada, czy te wady mogą być wykorzystane do przenoszenia informacji. Jednak tworzenie technologii z nich wymagałoby możliwości kontrolowania ich ruchu, co do tej pory było bardzo trudne.

“Zwykle, gdy spójrzysz przez mikroskop na eksperyment z aktywnym kryształem ciekłym, zobaczysz całkowity chaos – wady przesuwają się wszędzie”, powiedział Juan.

Przełom

Przełom nastąpił w zeszłym roku w projekcie w laboratorium Pablo, kierowanym przez Rui Zhang, który był stypendystą w Pritzker School of Molecular Engineering. Pracował wraz z zespołem prof. Margaret Gardel z UChicago i prof. Zev Bryant z Stanford.

Zespół odkrył zestaw technik, które mogą być wykorzystane do kontrolowania wad topologicznych. Jeśli kontrolowali, gdzie wkładają energię do kryształu ciekłego, co robili, świecąc światłem na określone obszary, wady mogą być kierowane w określonych kierunkach.

“Mają wiele cech elektronów w obwodzie – możemy je poruszać na duże odległości, wzmacniać je i otwierać lub zamykać ich transport, jak w bramce tranzystora, co oznacza, że moglibyśmy je wykorzystać do dość złożonych operacji”, powiedział Zhang.

Chociaż obliczenia wskazują, że systemy mogą być wykorzystywane do obliczeń, najprawdopodobniej będą bardziej przydatne w dziedzinie robotyki miękkiej. Zespół uważa, że mogą stworzyć robotykę miękką, która wykonywałaby część swojego “myślenia” z pomocą aktywnych kryształów ciekłych.

Nadzieję pokładają również w tym, że wady topologiczne mogą być wykorzystane do transportowania małych ilości cieczy lub innych materiałów wewnątrz małych urządzeń.

“Na przykład, można by wykonywać funkcje wewnątrz syntetycznej komórki”, powiedział Zhang.

Zespół badawczy obejmuje również współautora i naukowca z UChicago, Ali Mozaffari. Zespół będzie teraz pracował nad przeprowadzeniem eksperymentów, aby potwierdzić teoretyczne wyniki.