Forskare Upptäcker Nytt Sätt Att Beräkna Med Flytande Kristaller

Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering har visat hur man kan designa de grundläggande elementen som behövs för logiska operationer med ett material som kallas flytande kristall. Den nya utvecklingen är den första i sitt slag och kan leda till ett helt nytt sätt att utföra beräkningar.

Forskningen publicerades i Science Advances.

Medan den nya tekniken inte kommer att resultera i transistorer eller datorer direkt, kan den gå långt i att skapa enheter med nya funktioner inom beräkning, känslighet och robotik.

Juan de Pablo är en Liew Family Professor i molekylär ingenjörskap och seniorforskare vid Argonne National Laboratory. Han är också senior författare till forskningen.

“Vi visade att man kan skapa de elementära byggstenarna i en krets – grindar, förstärkare och ledare – vilket innebär att man borde kunna montera dem i konfigurationer som kan utföra mer komplexa operationer”, sa Juan de Pablo. “Det är ett riktigt spännande steg för fältet av aktiva material.”

Flytande Kristaller

Forskningen fokuserade kraftigt på en typ av material som kallas flytande kristall. En av de unika egenskaperna hos en flytande kristall är att dess molekyler vanligtvis är förlängda och antar en något ordnad struktur när de packas ihop. Men denna struktur kan förändras likt en vätska, och forskare kan använda unika egenskaper som denna för att bygga nya teknologier.

De olika molekylära ordningarna innebär att det finns områden i alla flytande kristaller där de ordnade regionerna kan komma i kontakt med varandra. Eftersom deras orienteringar inte matchar perfekt kallar forskare det “topologiska defekter”, och områdena rör sig runt när flytande kristallen också rör sig.

Forskarteamet undersöker om dessa defekter kan användas för att bära information. Med det sagt, att skapa teknologi utifrån dem skulle kräva förmågan att flytta dem runt där man vill, och det har varit extremt svårt att kontrollera deras beteende hittills.

“Vanligtvis, om man tittar genom ett mikroskop på ett experiment med en aktiv flytande kristall, skulle man se totalt kaos – defekter som flyttar runt överallt”, sa Juan.

Genombrottet

Genombrottet kom förra året med ett projekt i Pablos labb som leddes av Rui Zhang, som var en postdoktorand vid Pritzker School of Molecular Engineering. Han arbetade tillsammans med professor Margaret Gardels lab från UChicago och professor Zev Bryants lab från Stanford.

Teamet upptäckte en uppsättning tekniker som kunde användas för att kontrollera de topologiska defekterna. Om de kontrollerade var de satte energi in i flytande kristallen, vilket gjordes genom att lysa på specifika områden, kunde defekterna ledas i specifika riktningar.

“Dessa har många av de egenskaper som elektroner i en krets – vi kan flytta dem långa avstånd, förstärka dem och stänga eller öppna deras transport som i en transistorgrind, vilket innebär att vi kunde använda dem för relativt sofistikerade operationer”, sa Zhang.

Medan beräkningar tyder på att systemen kunde användas för beräkningar, skulle de troligen vara mer användbara inom området mjuk robotik. Teamet tror att de kunde skapa mjuk robotik som utför en del av sitt eget “tänkande” med hjälp av aktiva flytande kristaller.

De hoppas också att de topologiska defekterna kunde användas för att transportera små mängder vätska eller andra material inuti små enheter.

“Till exempel, kanske man kunde utföra funktioner inuti en syntetisk cell”, sa Zhang.

Forskarteamet inkluderar också medförfattare och UChicago-postdoktorand Ali Mozaffari. Teamet kommer nu att arbeta för att genomföra experiment för att bekräfta teoretiska fynd.