Naukowcy odkrywają nowy sposób obliczeń z użyciem ciekłych kryształów

Naukowcy z Wydziału Inżynierii Molekularnej Uniwersytetu Chicagowskiego Pritzker wykazali, jak zaprojektować podstawowe elementy niezbędne do operacji logicznych z materiałem zwanym ciekłym kryształem. Nowy rozwój jest pierwszym w swoim rodzaju i może prowadzić do całkowicie nowego sposobu wykonywania obliczeń. 

Badania zostały opublikowane w Science Advances.

Podczas gdy nowa technika nie doprowadzi od razu do tranzystorów czy komputerów, może znacznie przyczynić się do tworzenia urządzeń o nowych funkcjach w dziedzinie obliczeń, czujników i robotyki.

Juan de Pablo jest profesorem rodziny Liew w dziedzinie inżynierii molekularnej i starszym naukowcem w Argonne National Laboratory. Jest również seniorem autorem badań. 

“Wykazaliśmy, że można utworzyć elementarne bloki budulcowe obwodu — bramki, wzmacniacze i przewodniki — 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”.

Ciekłe Kryształy

Badania koncentrowały się głównie na rodzaju materiału zwanym ciekłym kryształem. Jedną z unikalnych właściwości ciekłego kryształu jest to, że jego cząsteczki są zwykle wydłużone, a gdy są upakowane razem, przyjmują pewną uporządkowaną strukturę. Jednak struktura ta może się przesuwać podobnie jak ciecz, a naukowcy mogą wykorzystywać takie unikalne właściwości do budowy nowych technologii. 

Różna uporządkowanie molekularne oznacza, że istnieją miejsca we wszystkich ciekłych kryształach, w których uporządkowane regiony mogą się ze sobą stykać. Ponieważ ich orientacje nie pasują idealnie, naukowcy nazywają to “wadami topologicznymi”, a miejsca te poruszają się wraz z ruchem ciekłego kryształu. 

Zespół naukowców bada, czy te wady mogą być wykorzystane do przenoszenia informacji. Jak jednak podkreślono, tworzenie technologii z nich wymagałoby możliwości poruszania nimi w wybranych miejscach, co do tej pory było niezwykle trudne.

“Zwykle, gdy spojrzysz przez mikroskop na eksperyment z aktywnym ciekłym kryształem, 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 podoktorskim w Pritzker School of Molecular Engineering. Pracował wraz z laboratorium 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 ciekłego kryształu, co robiono, 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 zamykać lub otwierać ich transport, jak w bramce tranzystora, co oznacza, że możemy je wykorzystywać do dość złożonych operacji”, powiedział Zhang.

Chociaż obliczenia sugerują, że systemy mogą być wykorzystywane do obliczeń, najprawdopodobniej będą bardziej przydatne w dziedzinie robotyki miękkiej. Zespół uważa, że mogą stworzyć robotykę miękką, która wykona niektóre ze swoich “myśli” z pomocą aktywnych ciekłych kryształów. 

Mają również nadzieję, że wady topologiczne mogą być wykorzystane do transportu małych ilości cieczy lub innych materiałów wewnątrz małych urządzeń. 

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

Zespół badawczy obejmuje także współautora i badacza poszczególnego z UChicago, Ali Mozaffari. Zespół będzie teraz pracował nad przeprowadzeniem eksperymentów w celu potwierdzenia wyników teoretycznych.