Forskare upptäcker nytt sätt att beräkna med flytande kristaller

Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering har visat hur man designar 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 den kan leda till ett helt nytt sätt att utföra beräkningar. 

Forskningen publicerades i Vetenskap Förskott.

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

Juan de Pablo är en Liew familjeprofessor i molekylär teknik och senior forskare vid Argonne National Laboratory. Han är också senior författare till forskningen. 

"Vi visade att du kan skapa de elementära byggstenarna i en krets - grindar, förstärkare och ledare - vilket betyder att du borde kunna sätta ihop dem till arrangemang som kan utföra mer komplexa operationer," sa Juan de Pablo. "Det är ett riktigt spännande steg för området aktiva material."

Flytande kristaller

Forskningen fokuserade mycket på en typ av material som kallas flytande kristaller. En av de unika egenskaperna hos en flytande kristall är att dess molekyler vanligtvis är långsträckta, och de antar en något ordnad struktur när de packas ihop. Denna struktur kan dock skifta runt på samma sätt som flytande, och forskare kan använda unika egenskaper som denna för att bygga ny teknik. 

Den olika molekylära ordningen gör att det finns fläckar 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 fläckarna rör sig runt när den flytande kristallen också rör sig. 

Teamet av forskare undersöker om dessa defekter kan användas för att bära information. Med det sagt skulle skapa teknik ur dem kräva förmågan att flytta runt dem där de ville, och det har varit extremt svårt att kontrollera deras beteende fram till denna punkt.

"Om du normalt tittar genom ett mikroskop på ett experiment med en aktiv flytande kristall, skulle du se fullständigt kaos - defekter som skiftar runt överallt", sa Juan.

Genombrottet

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

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

"Dessa har många av egenskaperna hos elektroner i en krets - vi kan flytta dem långa sträckor, förstärka dem och stänga eller öppna deras transport som i en transistorgrind, vilket betyder att vi kan använda dem för relativt sofistikerade operationer," sa Zhang.

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

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

"Till exempel kanske man kan utföra funktioner inuti en syntetisk cell," sa Zhang. 

I forskargruppen ingår också medförfattare och UChicago-postdoktor Ali Mozaffari. Teamet kommer nu att arbeta med att genomföra experiment för att bekräfta teoretiska fynd.