Naukowcy z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering po raz pierwszy pokazali, jak zaprojektować podstawowe elementy potrzebne do operacji logicznych przy użyciu pewnego rodzaju materiału zwanego ciekłym kryształem – torując drogę dla całkowicie nowatorskiego sposobu wykonywania obliczeń.
Wyniki, opublikowane 23 lutego w Science Advances, prawdopodobnie nie staną się od razu tranzystorami lub komputerami, ale technika może wskazać drogę w kierunku urządzeń z nowymi funkcjami w wykrywaniu, informatyce i robotyce.
„Pokazaliśmy, że można tworzyć podstawowe elementy składowe obwodu – bramki, wzmacniacze i przewodniki – co oznacza, że powinieneś być w stanie złożyć je w układy zdolne do wykonywania bardziej złożonych operacji” – powiedział Juan de Pablo, rodzina Liew. Profesor inżynierii molekularnej i starszy naukowiec w Argonne National Laboratory oraz starszy autor korespondent artykułu. „To naprawdę ekscytujący krok w dziedzinie materiałów aktywnych”.
Szczegóły wady
Badania miały na celu przyjrzenie się rodzajowi materiału zwanego ciekłym kryształem. Cząsteczki w ciekłym krysztale mają tendencję do wydłużania się, a upakowane razem przyjmują strukturę, która ma pewien porządek, jak proste rzędy atomów w krysztale diamentu – ale zamiast utkwić w miejscu jak w ciele stałym, ta struktura może również przemieszczać się jak ciecz. Naukowcy zawsze poszukują tego rodzaju dziwactw, ponieważ mogą wykorzystać te niezwykłe właściwości jako podstawę nowych technologii; Na przykład ciekłe kryształy znajdują się w telewizorze LCD, który być może masz już w domu lub na ekranie laptopa.
Jedną z konsekwencji tego dziwnego porządku molekularnego jest to, że we wszystkich ciekłych kryształach występują plamy, w których uporządkowane regiony zderzają się ze sobą, a ich orientacje nie do końca się pokrywają, tworząc coś, co naukowcy nazywają „defektami topologicznymi”. Plamy te poruszają się w miarę ruchu ciekłego kryształu.
Naukowcy są zaintrygowani tymi defektami, zastanawiając się, czy można by ich użyć do przenoszenia informacji – podobnych do funkcji, które elektrony pełnią w obwodach laptopa lub telefonu. Ale aby wydobyć technologię z tych defektów, musisz być w stanie prowadzić je tam, gdzie chcesz, a kontrolowanie ich zachowania okazało się bardzo trudne. „Normalnie, jeśli spojrzysz przez mikroskop na eksperyment z aktywnym ciekłym kryształem, zobaczysz kompletny chaos – defekty rozchodzące się po całym miejscu” – powiedział de Pablo.
Jednak w zeszłym roku wysiłek laboratorium de Pabla kierowanego przez Rui Zhanga, wówczas doktora habilitowanego w Pritzker School of Molecular Engineering, we współpracy z laboratorium prof. Margaret Gardel z UChicago i laboratorium prof. Zeva Bryanta ze Stanford technik kontroli tych defektów topologicznych. Wykazali, że jeśli kontrolują, gdzie umieszczają energię w ciekłym krysztale, oświetlając światło tylko w określonych obszarach, mogą kierować defektami w określonych kierunkach.
W nowym artykule posunęli się o krok dalej i ustalili, że teoretycznie powinno być możliwe wykorzystanie tych technik, aby ciekły kryształ wykonywał operacje jak komputer.
„Mają one wiele cech charakterystycznych dla elektronów w obwodzie – możemy je przenosić na duże odległości, wzmacniać i zamykać lub otwierać ich transport jak w bramce tranzystorowej, co oznacza, że możemy ich używać do stosunkowo skomplikowanych operacji” – powiedział Zhang. , obecnie adiunkt na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu.
Chociaż obliczenia sugerują, że systemy te mogą być wykorzystywane do obliczeń, bardziej prawdopodobne jest, że będą one wyjątkowo przydatne w zastosowaniach, takich jak miękka robotyka, stwierdzili naukowcy. Naukowcy interesują się miękkimi robotami – robotami, których korpusy nie są wykonane z twardego metalu lub plastiku, ale raczej z rozciągliwych i miękkich materiałów – ponieważ ich elastyczność i delikatny dotyk oznacza, że mogą wykonywać funkcje, których nie są w stanie wykonać roboty o twardym ciele. Zespół może sobie wyobrazić stworzenie takich robotów, które potrafią samodzielnie „myśleć” za pomocą aktywnych ciekłych kryształów.
Mogą też wyobrazić sobie wykorzystanie defektów topologicznych do przenoszenia niewielkich ilości cieczy lub innych materiałów z miejsca na miejsce wewnątrz niewielkich urządzeń. „Na przykład, być może można by wykonywać funkcje wewnątrz syntetycznej komórki” – powiedział Zhang. Możliwe, że natura już używa podobnych mechanizmów do przesyłania informacji lub wykonywania zachowań wewnątrz komórek – powiedział.
Zespół badawczy, w skład którego wchodzi również współautor i badacz podoktorancki UChicago Ali Mozaffari, współpracuje ze współpracownikami w celu przeprowadzenia eksperymentów w celu potwierdzenia ustaleń teoretycznych.
„Nieczęsto można zobaczyć nowy sposób przetwarzania danych” — powiedział de Pablo.
W pracy wykorzystano zasoby Centrum Badań Materiałowych i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Chicago.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet w Chicago. Oryginał napisany przez Louise Lerner. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.