Forskere viser, hvordan man laver en computer af flydende krystaller

Forskere fra University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering har for første gang vist, hvordan man designer de grundlæggende elementer, der er nødvendige for logiske operationer, ved hjælp af en slags materiale kaldet en flydende krystal - hvilket baner vejen for en helt ny måde at udføre beregninger på.

Resultaterne, offentliggjort 23. februar i Science Advances , vil sandsynligvis ikke blive transistorer eller computere med det samme, men teknikken kunne pege vejen mod enheder med nye funktioner inden for sansning, databehandling og robotteknologi.

"Vi viste, at du kan skabe de elementære byggesten i et kredsløb - porte, forstærkere og ledere - hvilket betyder, at du burde være i stand til at samle dem i arrangementer, der er i stand til at udføre mere komplekse operationer," sagde Juan de Pablo, Liew Family Professor i Molecular Engineering og seniorforsker ved Argonne National Laboratory, og den tilsvarende seniorforfatter på papiret. "Det er et rigtig spændende skridt for feltet af aktive materialer."

Detaljer i defekterne

Forskningen havde til formål at se nærmere på en type materiale kaldet en flydende krystal. Molekylerne i en flydende krystal har en tendens til at blive forlænget, og når de pakkes sammen, antager de en struktur, der har en vis orden, som de lige rækker af atomer i en diamantkrystal - men i stedet for at blive sat fast som i et fast stof, kan denne struktur også flytte rundt som en væske gør. Forskere leder altid efter den slags mærkværdigheder, fordi de kan bruge disse usædvanlige egenskaber som grundlag for nye teknologier; flydende krystaller er for eksempel i det LCD-tv, du måske allerede har i dit hjem eller på skærmen på din bærbare computer.

En konsekvens af denne mærkelige molekylære orden er, at der er pletter i alle flydende krystaller, hvor de ordnede regioner støder op mod hinanden, og deres orienteringer ikke helt stemmer overens, hvilket skaber, hvad videnskabsmænd kalder "topologiske defekter." Disse pletter bevæger sig rundt, mens den flydende krystal bevæger sig.

Forskere er fascinerede af disse defekter og spekulerer på, om de kunne bruges til at bære information - svarende til de funktioner, som elektroner tjener i kredsløbene på din bærbare computer eller telefon. Men for at lave teknologi ud af disse defekter, skal du være i stand til at hyrde dem rundt, hvor du vil have dem, og det har vist sig meget svært at kontrollere deres adfærd. "Normalt, hvis du ser gennem et mikroskop på et eksperiment med en aktiv flydende krystal, vil du se komplet kaos - defekter flytte rundt overalt," sagde de Pablo.

Men sidste år fandt en indsats fra de Pablos laboratorium ledet af Rui Zhang, dengang en postdoktor ved Pritzker School of Molecular Engineering, i samarbejde med Prof. Margaret Gardels laboratorium fra UChicago og Prof. Zev Bryants laboratorium fra Stanford, ud af et sæt af teknikker til at kontrollere disse topologiske defekter. De viste, at hvis de kontrollerede, hvor de lagde energi i den flydende krystal, ved kun at skinne et lys på bestemte områder, kunne de guide defekterne til at bevæge sig i bestemte retninger.

I et nyt papir tog de det et logisk skridt videre og fastslog, at det skulle være teoretisk muligt at bruge disse teknikker til at få en flydende krystal til at udføre operationer som en computer.

"Disse har mange af elektronernes karakteristika i et kredsløb - vi kan flytte dem over lange afstande, forstærke dem og lukke eller åbne deres transport som i en transistorport, hvilket betyder, at vi kunne bruge dem til relativt sofistikerede operationer," sagde Zhang, nu assisterende professor ved Hong Kong University of Science and Technology.

Selvom beregninger tyder på, at disse systemer kunne bruges til beregninger, er de mere tilbøjelige til at være unikke nyttige i applikationer såsom området for blød robotik, sagde forskerne. Forskere er interesserede i bløde robotter - robotter med kroppe, der ikke er lavet af hårdt metal eller plastik, men snarere strækbare og bløde materialer - fordi deres fleksibilitet og blide berøring betyder, at de kan udføre funktioner, som hårde robotter ikke kan. Holdet kan forestille sig at skabe sådanne robotter, der kan gøre noget af deres egen "tænkning" ved hjælp af aktive flydende krystaller.

De kan også forestille sig at bruge topologiske defekter til at transportere små mængder væske eller andre materialer fra sted til sted inde i små enheder. "For eksempel kunne man måske udføre funktioner inde i en syntetisk celle," sagde Zhang. Det er muligt, at naturen allerede bruger lignende mekanismer til at overføre information eller udføre adfærd inde i celler, sagde han.

Forskerholdet, som også omfatter medforfatter og UChicago postdoc-forsker Ali Mozaffari, arbejder sammen med samarbejdspartnere for at udføre eksperimenter for at bekræfte de teoretiske resultater.

"Det er ikke ofte, du er i stand til at se en ny måde at lave computere på," sagde de Pablo.