Дослідники відкрили новий спосіб обчислення з рідкими кристалами

Дослідники Університету Чикаго Пritzker школи молекулярної інженерії продемонстрували, як проектувати основні елементи, необхідні для логічних операцій з матеріалом, званим рідким кристалом. Ця нова розробка є першою свого роду і може привести до зовсім нового способу виконання обчислень.

Дослідження було опубліковано в Science Advances.

Хоча нова техніка не приведе до появи транзисторів або комп’ютерів одразу, вона може суттєво сприяти створенню пристроїв з новими функціями в обчисленнях, датчиках і робототехніці.

Хуан де Пабло є професором молекулярної інженерії та старшим науковцем в Національній лабораторії Арґонна. Він також є старшим автором дослідження.

“Ми показали, що можна створити елементарні будівельні блоки схеми – логічні ворота, підсилювачі та провідники, – що означає, що ви повинні бути能够 зібрати їх у комбінації, здатні виконувати більш складні операції”, – сказав Хуан де Пабло. “Це дуже цікавий крок для галузі активних матеріалів.”

Рідкі Кристали

Дослідження сильно зосередилося на типі матеріалу, званому рідким кристалом. Однією з унікальних властивостей рідкого кристалу є те, що його молекули зазвичай подовжені та приймають певну впорядковану структуру, коли вони упаковані разом. Однак ця структура може зміщуватися подібно до рідини, і вчені можуть використовувати такі властивості, щоб створити нові технології.

Різна молекулярна впорядкованість означає, що існують місця в усіх рідких кристалах, де впорядковані області можуть вступати у контакт одна з одною. Оскільки їхні орієнтації не збігаються досконало, вчені називають це “топологічними дефектами”, і ці місця рухаються, коли рідкий кристал також рухається.

Команда вчених досліджує, чи можна використовувати ці дефекти для передачі інформації. Однак створення технологій на їхній основі потребуватиме можливості переміщати їх туди, куди потрібно, і до цього моменту було дуже складно контролювати їхню поведінку.

“Зазвичай, якщо ви подивитесь через мікроскоп на експеримент з активним рідким кристалом, ви побачите повну хаос – дефекти зміщуються всюди”, – сказав Хуан.

Прорив

Прорив стався минулого року в проекті лабораторії Пабло під керівництвом Руї Чжана, який був постдокторальним науковцем в школі молекулярної інженерії Пritzker. Він працював разом з лабораторією професора Маргарет Гардел з Університету Чикаго та лабораторією професора Зева Брайанта з Стенфордського університету.

Команда відкрила набір технік, які можна використовувати для контролю топологічних дефектів. Якщо вони контролювали, куди вони вводили енергію в рідкий кристал, що робилося шляхом освітлення певних областей, дефекти можна було направляти у певних напрямках.

“Вони мають багато характеристик електронів в схемі – ми можемо переміщати їх на великі відстані, підсилювати їх та закривати або відкривати їхній транспорт, як у транзисторному ґаті, що означає, що ми могли б використовувати їх для досить складних операцій”, – сказав Чжан.

Хоча розрахунки свідчать, що ці системи можна використовувати для обчислень, вони, ймовірно, будуть більш корисними в галузі м’якої робототехніки. Команда вважає, що вони могли б створити м’яку робототехніку, яка виконує деяке “думання” з допомогою активних рідких кристалів.

Вони також сподіваються, що топологічні дефекти можна використовувати для транспортування малих кількостей рідини або інших матеріалів всередині малих пристроїв.

“Наприклад, можливо, можна виконувати функції всередині синтетичної клітини”, – сказав Чжан.

До команди дослідження також входить співавтор та постдокторальний науковець Університету Чикаго Алі Моззафарі. Команда тепер працюватиме над проведенням експериментів для підтвердження теоретичних результатів.