Исследователи открыли новый способ вычислений с помощью жидких кристаллов

Исследователи в Университете Чикаго Пritzker Школе Молекулярной Инженерии продемонстрировали, как проектировать основные элементы, необходимые для логических операций с помощью материала, называемого жидким кристаллом. Это новое развитие является первым в своем роде и может привести к совершенно новому способу выполнения вычислений.

Исследование было опубликовано в Science Advances.

Хотя новый метод не приведет к созданию транзисторов или компьютеров сразу, он может существенно способствовать созданию устройств с новыми функциями в вычислениях, датчиках и робототехнике.

Хуан де Пабло является профессором Лью Фэмили в Молекулярной Инженерии и старшим ученым в Национальной Лаборатории Аргона. Он также является старшим автором исследования.

“Мы показали, что можно создать элементарные строительные блоки цепи — логические ворота, усилители и проводники — что означает, что вы должны быть в состоянии собрать их в конфигурации, способные выполнять более сложные операции”, сказал Хуан де Пабло. “Это действительно захватывающий шаг для области активных материалов.”

Жидкие Кристаллы

Исследование в значительной степени было сосредоточено на типе материала, называемого жидким кристаллом. Одной из уникальных свойств жидкого кристалла является то, что его молекулы обычно удлинены, и они принимают несколько упорядоченную структуру, когда они упакованы вместе. Однако эта структура может сдвигаться подобно жидкости, и ученые могут использовать такие уникальные свойства, как это, для создания новых технологий.

Различный молекулярный порядок означает, что есть места во всех жидких кристаллах, где упорядоченные области могут вступать в контакт друг с другом. Поскольку их ориентации не совпадают идеально, ученые называют это “топологическими дефектами”, и эти места перемещаются, когда жидкий кристалл также перемещается.

Команда ученых исследует, можно ли использовать эти дефекты для передачи информации. Однако создание технологий на их основе потребует возможности перемещать их туда, куда нужно, и до сих пор было чрезвычайно трудно контролировать их поведение.

“Обычно, если вы посмотрите через микроскоп на эксперимент с активным жидким кристаллом, вы увидите полный хаос — дефекты сдвигаются повсюду”, сказал Хуан.

Прорыв

Прорыв произошел в прошлом году с проектом в лаборатории Пабло под руководством Руи Чжана, который был постдокторальным исследователем в Пritzker Школе Молекулярной Инженерии. Он работал вместе с лабораторией профессора Маргарет Гардел из UChicago и лабораторией профессора Зева Брайанта из Стэнфорда.

Команда открыла набор методов, которые можно использовать для контроля топологических дефектов. Если они контролировали, куда они вводили энергию в жидкий кристалл, что делалось путем освещения определенных областей, дефекты можно было направлять в определенных направлениях.

“У них есть многие характеристики электронов в цепи — мы можем перемещать их на большие расстояния, усиливать их и закрывать или открывать их транспорт, как в транзисторном ворте, что означает, что мы можем использовать их для относительно сложных операций”, сказал Чжан.

Хотя расчеты предполагают, что системы могут быть использованы для вычислений, они, скорее всего, будут более полезны в области мягкой робототехники. Команда считает, что они могут создать мягкую робототехнику, которая выполняет некоторое “мышление” с помощью активных жидких кристаллов.

Они также надеются, что топологические дефекты могут быть использованы для транспортировки небольших количеств жидкости или других материалов внутри крошечных устройств.

“Например, может быть, можно выполнить функции внутри синтетической клетки”, сказал Чжан.

Команда исследователей также включает в себя соавтора и постдокторального исследователя UChicago Али Моззафари. Команда теперь будет работать над проведением экспериментов для подтверждения теоретических результатов.