Исследователи открыли новый способ вычислений с использованием жидких кристаллов

Исследователи из Университета Чикаго Пritzker Школы Молекулярной Инженерии продемонстрировали, как спроектировать 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 стать значительным шагом на пути к созданию устройств с новыми функциями в области вычислений, датчиков и робототехники.

Хуан де Пабло является профессором молекулярной инженерии и старшим ученым в Национальной лаборатории Аргонна. 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 интересный шаг для области активных материалов.”

Жидкие Кристаллы

Исследование в значительной степени было сосредоточено на типе материала, называемом жидким кристаллом. Одной из уникальных свойств жидкого кристалла является то, что его молекулы обычно удлинены и принимают несколько упорядоченную структуру, когда они упакованы вместе. Однако эта структура может меняться, 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 способности 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 во все стороны”, – сказал Хуан.

Прорыв

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

Команда обнаружила 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 определенные направления.

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

Хотя расчеты предполагают, что системы можно использовать для вычислений, они, вероятно, будут более полезны в области мягкой робототехники. Команда считает, что они могут создать мягкую робототехнику, которая будет выполнять некоторые свои собственные “мыслительные” процессы с помощью активных жидких кристаллов.

Они также надеются, что топологические дефекты можно использовать для транспортировки небольших количеств жидкости или других материалов внутри крошечных устройств.

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

Исследовательская команда также включает в себя соавтора и постдокторального исследователя Университета Чикаго Али Моззафари. Команда теперь будет работать над проведением экспериментов для подтверждения теоретических результатов.