Các nhà nghiên cứu khám phá cách tính toán mới với tinh thể lỏng

Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker thuộc Đại học Chicago đã chứng minh cách thiết kế các yếu tố cơ bản cần thiết cho các hoạt động logic bằng một vật liệu gọi là tinh thể lỏng. Sự phát triển mới là lần đầu tiên thuộc loại này và nó có thể dẫn đến một cách hoàn toàn mới để thực hiện tính toán. 

Nghiên cứu được công bố trong Những tiến bộ khoa học.

Mặc dù kỹ thuật mới sẽ không tạo ra bóng bán dẫn hoặc máy tính ngay lập tức, nhưng nó có thể giúp tạo ra các thiết bị có chức năng mới trong điện toán, cảm biến và rô-bốt trong một chặng đường dài.

Juan de Pablo là Giáo sư về Kỹ thuật Phân tử của Gia đình Liew và là nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Ông cũng là tác giả cao cấp của nghiên cứu. 

Juan de Pablo cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được rằng bạn có thể tạo ra các khối cấu trúc cơ bản của một mạch điện — cổng, bộ khuếch đại và dây dẫn — điều đó có nghĩa là bạn có thể lắp ráp chúng thành những cấu trúc có khả năng thực hiện các hoạt động phức tạp hơn. Đây thực sự là một bước tiến thú vị cho lĩnh vực vật liệu hoạt tính.”

Tinh thể lỏng

Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào một loại vật liệu gọi là tinh thể lỏng. Một trong những tính chất độc đáo của tinh thể lỏng là các phân tử của nó thường kéo dài và chúng có cấu trúc hơi trật tự khi chúng được xếp lại với nhau. Tuy nhiên, cấu trúc này có thể dịch chuyển tương tự như chất lỏng và các nhà khoa học có thể sử dụng các đặc tính độc đáo như thế này để xây dựng các công nghệ mới. 

Trật tự phân tử khác nhau có nghĩa là có những điểm trong tất cả các tinh thể lỏng nơi các vùng được sắp xếp có thể tiếp xúc với nhau. Do định hướng của chúng không khớp hoàn toàn nên các nhà khoa học gọi đó là “các khuyết tật cấu trúc liên kết” và các điểm di chuyển xung quanh khi tinh thể lỏng cũng di chuyển. 

Nhóm các nhà khoa học đang khám phá xem liệu những khiếm khuyết này có thể được sử dụng để mang thông tin hay không. Như đã nói, việc tạo ra công nghệ từ chúng sẽ yêu cầu khả năng di chuyển chúng đến nơi mong muốn và việc kiểm soát hành vi của chúng cho đến thời điểm này là vô cùng khó khăn.

Juan cho biết: “Thông thường, nếu bạn nhìn qua kính hiển vi vào một thí nghiệm với tinh thể lỏng đang hoạt động, bạn sẽ thấy sự hỗn loạn hoàn toàn – các khuyết tật dịch chuyển khắp nơi.

Sự đột phá

Bước đột phá đến vào năm ngoái với một dự án trong phòng thí nghiệm của Pablo do Rui Zhang đứng đầu, một học giả sau tiến sĩ tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker. Anh ấy đã làm việc cùng với phòng thí nghiệm của Giáo sư Margaret Gardel từ UChicago và phòng thí nghiệm của Giáo sư Zev Bryant từ Stanford. 

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một tập hợp các kỹ thuật có thể được sử dụng để kiểm soát các lỗi cấu trúc liên kết. Nếu họ kiểm soát được nơi họ đưa năng lượng vào tinh thể lỏng, điều này được thực hiện bằng cách chiếu ánh sáng vào những khu vực cụ thể, thì các khuyết tật có thể được định hướng theo những hướng cụ thể. 

Zhang cho biết: “Chúng có nhiều đặc điểm của các electron trong một mạch điện – chúng ta có thể di chuyển chúng đi một quãng đường dài, khuếch đại chúng và đóng hoặc mở quá trình vận chuyển của chúng như trong một cổng bóng bán dẫn, nghĩa là chúng ta có thể sử dụng chúng cho các hoạt động tương đối phức tạp”.

Mặc dù các phép tính gợi ý rằng các hệ thống này có thể được sử dụng để tính toán, nhưng rất có thể chúng sẽ hữu ích hơn trong lĩnh vực người máy mềm. Nhóm nghiên cứu tin rằng họ có thể tạo ra những người máy mềm thực hiện một số “suy nghĩ” của riêng mình với sự trợ giúp của các tinh thể lỏng hoạt động. 

Họ cũng hy vọng rằng các khiếm khuyết cấu trúc liên kết có thể được sử dụng để vận chuyển một lượng nhỏ chất lỏng hoặc các vật liệu khác bên trong các thiết bị nhỏ. 

“Ví dụ, có lẽ một người có thể thực hiện các chức năng bên trong một tế bào tổng hợp,” Zhang nói. 

Nhóm nghiên cứu cũng bao gồm đồng tác giả và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của UChicago, Ali Mozaffari. Bây giờ nhóm sẽ làm việc để thực hiện các thí nghiệm để xác nhận những phát hiện lý thuyết.