นักวิจัยค้นพบวิธีใหม่ในการคำนวณด้วยคริสตัลเหลว

นักวิจัยจาก University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering ได้สาธิตวิธีการออกแบบองค์ประกอบพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการดำเนินการทางตรรกะด้วยวัสดุที่เรียกว่าผลึกเหลว การพัฒนาใหม่นี้ถือเป็นครั้งแรกในประเภทเดียวกัน และอาจนำไปสู่วิธีการคำนวณแบบใหม่ 

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า.

แม้ว่าเทคนิคใหม่จะไม่ทำให้เกิดทรานซิสเตอร์หรือคอมพิวเตอร์ในทันที แต่อาจสร้างอุปกรณ์ที่มีฟังก์ชันใหม่ในการคำนวณ การตรวจจับ และวิทยาการหุ่นยนต์ได้ในระยะยาว

Juan de Pablo เป็นศาสตราจารย์ตระกูล Liew สาขาวิศวกรรมโมเลกุลและนักวิทยาศาสตร์อาวุโสแห่ง Argonne National Laboratory เขายังเป็นผู้เขียนอาวุโสของการวิจัย 

“เราแสดงให้คุณเห็นว่าคุณสามารถสร้างส่วนประกอบเบื้องต้นของวงจรได้ เช่น ประตู แอมพลิไฟเออร์ และตัวนำ ซึ่งหมายความว่าคุณควรประกอบมันเข้ากับการจัดเตรียมที่สามารถดำเนินการที่ซับซ้อนมากขึ้นได้” ฮวน เดอ ปาโบลกล่าว “มันเป็นขั้นตอนที่น่าตื่นเต้นมากสำหรับสาขาวัสดุที่ใช้งานอยู่”

ผลึกเหลว

การวิจัยมุ่งเน้นไปที่วัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่าผลึกเหลว คุณสมบัติพิเศษอย่างหนึ่งของผลึกเหลวคือโมเลกุลของมันมักจะยาวขึ้น และพวกมันจะรับเอาโครงสร้างที่ค่อนข้างเป็นระเบียบเมื่อนำมาอัดรวมกัน อย่างไรก็ตาม โครงสร้างนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้คล้ายกับของเหลว และนักวิทยาศาสตร์สามารถใช้คุณสมบัติพิเศษเช่นนี้เพื่อสร้างเทคโนโลยีใหม่ได้ 

ลำดับโมเลกุลที่แตกต่างกันหมายความว่ามีจุดในผลึกเหลวทั้งหมดซึ่งบริเวณที่เรียงลำดับสามารถสัมผัสกันได้ เนื่องจากทิศทางของพวกมันไม่ตรงกันอย่างสมบูรณ์ นักวิทยาศาสตร์จึงเรียกมันว่า "ความบกพร่องของทอพอโลยี" และจุดต่างๆ จะเคลื่อนที่ไปรอบๆ ขณะที่ผลึกเหลวเคลื่อนที่ด้วย 

ทีมนักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจว่าข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถใช้ในการส่งข้อมูลได้หรือไม่ จากที่กล่าวมานั้น การสร้างเทคโนโลยีจากพวกมันนั้นต้องการความสามารถในการเคลื่อนย้ายพวกมันไปทุกที่ที่ต้องการ และการควบคุมพฤติกรรมของพวกมันจนถึงจุดนี้เป็นเรื่องยากมาก

“โดยปกติแล้ว หากคุณมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ในการทดลองที่มีคริสตัลเหลวแบบแอคทีฟ คุณจะเห็นความโกลาหลอย่างสมบูรณ์ — ข้อบกพร่องที่เปลี่ยนไปทั่วทุกแห่ง” ฮวนกล่าว

ความก้าวหน้า

ความก้าวหน้าดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อปีที่แล้วด้วยโครงการในห้องทดลองของ Pablo ซึ่งนำโดย Rui Zhang ซึ่งเป็นนักวิชาการหลังปริญญาเอกที่ Pritzker School of Molecular Engineering เขาทำงานร่วมกับห้องทดลองของ Prof. Margaret Gardel จาก UChicago และห้องทดลองของ Prof. Zev Bryant จาก Stanford 

ทีมงานได้ค้นพบชุดเทคนิคที่สามารถใช้เพื่อควบคุมข้อบกพร่องของโทโพโลยี หากพวกเขาควบคุมจุดที่พวกเขาใส่พลังงานเข้าไปในผลึกเหลว ซึ่งทำโดยการฉายแสงไปยังพื้นที่เฉพาะ ข้อบกพร่องอาจถูกนำทางไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจง 

“สิ่งเหล่านี้มีคุณสมบัติหลายอย่างของอิเล็กตรอนในวงจร เราสามารถเคลื่อนย้ายพวกมันในระยะทางไกล ขยายพวกมัน และปิดหรือเปิดการขนส่งของพวกมันได้เหมือนในประตูทรานซิสเตอร์ ซึ่งหมายความว่าเราสามารถใช้พวกมันสำหรับการดำเนินการที่ค่อนข้างซับซ้อนได้” Zhang กล่าว

แม้ว่าการคำนวณจะแนะนำว่าระบบสามารถใช้ในการคำนวณได้ แต่ก็น่าจะมีประโยชน์มากกว่าในด้านของหุ่นยนต์แบบอ่อน ทีมงานเชื่อว่าพวกเขาสามารถสร้างหุ่นยนต์แบบอ่อนที่ดำเนินการ "การคิด" บางอย่างของพวกเขาเองด้วยความช่วยเหลือของคริสตัลเหลวที่ใช้งานอยู่ 

พวกเขายังหวังว่าข้อบกพร่องทางทอพอโลยีสามารถนำมาใช้ในการขนส่งของเหลวหรือวัสดุอื่นๆ จำนวนเล็กน้อยภายในอุปกรณ์ขนาดเล็กได้ 

“ตัวอย่างเช่น บางทีคนๆ หนึ่งสามารถทำหน้าที่ภายในเซลล์สังเคราะห์ได้” Zhang กล่าว 

ทีมวิจัยยังรวมถึงผู้ร่วมเขียนและนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ UChicago Ali Mozaffari ขณะนี้ทีมงานจะทำงานเพื่อดำเนินการทดลองเพื่อยืนยันผลการวิจัยทางทฤษฎี