Các nhà nghiên cứu phát hiện ra cách tính toán mới bằng tinh thể lỏng

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

Nghiên cứu được công bố trên Science Advances.

Mặc dù kỹ thuật mới này sẽ không dẫn đến việc tạo ra các transistor hoặc máy tính ngay lập tức, nhưng nó có thể đi một bước dài trong việc tạo ra các thiết bị có các chức năng mới trong tính toán, cảm biến và robot. 

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

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

Tinh thể lỏng

Nghiên cứu tập trung nhiều 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 được kéo dài và chúng nhận một cấu trúc có thứ tự khi chúng được đóng gói cùng nhau. Tuy nhiên, cấu trúc này có thể thay đổi giống như chất lỏng và các nhà khoa học có thể sử dụng các tính chất độc đáo như này để xây dựng các công nghệ mới. 

Sự sắp xếp phân tử khác nhau có nghĩa là có những điểm trong tất cả các tinh thể lỏng nơi các vùng có thứ tự có thể tiếp xúc với nhau. Vì hướng của chúng không hoàn hảo, các nhà khoa học gọi nó là “khuyết tật topo”, và các điểm này di chuyển xung quanh khi tinh thể lỏng cũng di chuyển. 

Đội ngũ các nhà khoa học đang khám phá liệu những khuyết tật này có thể được sử dụng để truyền tải thông tin. Với điều đó, việc tạo ra công nghệ từ chúng sẽ đòi hỏi khả năng di chuyển chúng đến nơi mong muốn và điều này đã cực kỳ khó khăn để kiểm soát hành vi của chúng cho đến thời điểm này.

“Thông thường, nếu bạn nhìn qua kính hiển vi vào một thí nghiệm với tinh thể lỏng hoạt động, bạn sẽ thấy sự hỗn loạn hoàn toàn — các khuyết tật di chuyển xung quanh mọi nơi,” Juan nói.

Phát hiện đột phá

Phát hiện đột phá đã đến vào năm ngoái với một dự án trong phòng thí nghiệm của Pablo do Rui Zhang dẫn đầu, người từng là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker. Ông đã làm việc cùng với phòng thí nghiệm của GS. Margaret Gardel từ UChicago và GS. Zev Bryant từ Stanford. 

Đội ngũ đã phát hiện ra một tập hợp các kỹ thuật có thể được sử dụng để kiểm soát các khuyết tật topo. Nếu họ kiểm soát nơi họ đưa năng lượng vào tinh thể lỏng, điều này được thực hiện bằng cách chiếu ánh sáng vào các khu vực cụ thể, các khuyết tật có thể được hướng dẫn theo các hướng cụ thể. 

“Chúng có nhiều đặc điểm của các electron trong một mạch — chúng tôi có thể di chuyển chúng qua các khoảng cách dài, khuếch đại chúng và tắt hoặc mở vận chuyển của chúng như trong cổng transistor, điều này có nghĩa là chúng tôi có thể sử dụng chúng cho các hoạt động tương đối tinh vi,” Zhang nói.

Mặc dù các tính toán cho thấy rằng các hệ thống này có thể được sử dụng cho tính toán, nhưng chúng có thể hữu ích hơn trong lĩnh vực robot mềm. Đội ngũ tin rằng họ có thể tạo ra robot mềm thực hiện một số “suy nghĩ” của riêng chúng với sự giúp đỡ của tinh thể lỏng hoạt động. 

Họ cũng hy vọng rằng các khuyết tật topo có thể được sử dụng để vận chuyển các lượng nhỏ chất lỏng hoặc các vật liệu khác bên trong các thiết bị nhỏ. 

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

Đội ngũ nghiên cứu cũng bao gồm đồng tác giả và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của UChicago, Ali Mozaffari. Đội ngũ sẽ tiếp tục thực hiện các thí nghiệm để xác nhận các phát hiện lý thuyết.