Как сделать компьютер из жидких кристаллов?

Новое исследование прокладывает путь для приложений в робототехнике, вычислений с использованием мягких материалов.

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета впервые показали, как проектировать основные элементы, необходимые для логических операций.

Они используют материал, называемый жидким кристаллом.

Это может проложить путь к совершенно новому способу выполнения вычислений.

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, вряд ли сразу станут транзисторами или компьютерами, но этот метод может указать путь к устройствам с новыми функциями в сенсорике, вычислениях и робототехнике.

«Мы показали, что вы можете создавать элементарные строительные блоки схемы — затворы, усилители и проводники — а это значит, что вы должны быть в состоянии собрать их в устройства, способные выполнять более сложные операции», — сказал Хуан де Пабло, профессор семьи Лью. Молекулярная инженерия и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории, а также старший автор-корреспондент статьи.

«Это действительно захватывающий шаг в области активных материалов».

Подробности в дефектах

Исследование было направлено на то, чтобы поближе познакомиться с типом материала, называемого жидким кристаллом.

Молекулы в жидком кристалле имеют тенденцию быть вытянутыми, и когда они упакованы вместе, они принимают структуру, имеющую некоторый порядок, как прямые ряды атомов в кристалле алмаза, но вместо того, чтобы застрять на месте, как в твердом теле, эта структура может также перемещаться, как это делает жидкость.

Ученые всегда ищут такие странности, потому что они могут использовать эти необычные свойства в качестве основы для новых технологий; жидкие кристаллы, например, есть в ЖК-телевизоре, который, возможно, уже есть у вас дома, или в экране вашего ноутбука.

Одним из следствий этого странного молекулярного порядка является то, что во всех жидких кристаллах есть места, где упорядоченные области наталкиваются друг на друга, а их ориентация не совсем совпадает, создавая то, что ученые называют «топологическими дефектами».

Эти пятна перемещаются по мере движения жидкого кристалла.

Ученые заинтригованы этими дефектами, задаваясь вопросом, можно ли их использовать для передачи информации — аналогично функциям, которые выполняют электроны в цепях вашего ноутбука или телефона.

Но для того, чтобы сделать из этих дефектов технологию, вам нужно уметь направлять их туда, куда вы хотите, а контролировать их поведение оказалось очень сложно. «Обычно, если вы посмотрите в микроскоп на эксперимент с активным жидким кристаллом, вы увидите полный хаос — дефекты перемещаются повсюду», — сказал де Пабло.

Но в прошлом году усилия лаборатории де Пабло, возглавляемой Руи Чжаном, в то время постдокторантом Притцкеровской школы молекулярной инженерии, в сотрудничестве с лабораторией профессора Маргарет Гардель из Калифорнийского университета в Чикаго и лабораторией профессора Зева Брайанта из Стэнфорда, выяснили набор способов борьбы с этими топологическими дефектами.

Они показали, что если бы они контролировали, куда они направляют энергию в жидкий кристалл, освещая только определенные области, они могли бы направлять дефекты для движения в определенных направлениях.

В новой статье они сделали логический шаг вперед и определили, что теоретически возможно использовать эти методы, чтобы заставить жидкий кристалл выполнять операции, подобные компьютеру.

«Они обладают многими характеристиками электронов в цепи — мы можем перемещать их на большие расстояния, усиливать их и закрывать или открывать их транспортировку, как в транзисторном затворе, что означает, что мы можем использовать их для относительно сложных операций», — сказал Чжан. сейчас доцент Гонконгского университета науки и технологии.

Хотя расчеты предполагают, что эти системы могут использоваться для вычислений, они, скорее всего, будут уникальным образом полезны в таких приложениях, как мягкая робототехника, говорят ученые. Исследователей интересуют мягкие роботы — роботы с телами, которые сделаны не из твердого металла или пластика, а скорее из эластичных и мягких материалов, — потому что их гибкость и мягкое прикосновение означают, что они могут выполнять функции, которые не могут выполнять роботы с твердым телом. Команда может представить себе создание таких роботов, которые могут самостоятельно «думать» с помощью активных жидких кристаллов.

Они также могут представить себе использование топологических дефектов для перемещения небольшого количества жидкости или других материалов с места на место внутри крошечных устройств. «Например, возможно, можно было бы выполнять функции внутри синтетической клетки», — сказал Чжан. По его словам, возможно, природа уже использует подобные механизмы для передачи информации или выполнения действий внутри клеток.

Исследовательская группа, в которую также входит соавтор и постдокторант Калифорнийского университета в Чикаго Али Мозаффари, работает с сотрудниками над проведением экспериментов для подтверждения теоретических выводов.

«Не часто можно увидеть новый способ выполнения вычислений, — сказал де Пабло.

В этой работе использовались ресурсы Центра материаловедения и инженерии Чикагского университета.

Автор Луиза Лернер.