Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering van de University of Chicago hebben voor het eerst laten zien hoe de basiselementen die nodig zijn voor logische bewerkingen kunnen worden ontworpen met behulp van een soort materiaal dat een vloeibaar kristal wordt genoemd, wat de weg vrijmaakt voor een volledig nieuwe manier om berekeningen uit te voeren.

De resultaten, gepubliceerd op 23 februari in Science Advances , zullen waarschijnlijk niet meteen transistors of computers worden, maar de techniek zou de weg kunnen wijzen naar apparaten met nieuwe functies in detectie, informatica en robotica.

"We hebben laten zien dat je de elementaire bouwstenen van een circuit kunt maken - poorten, versterkers en geleiders - wat betekent dat je ze moet kunnen samenstellen tot arrangementen die complexere bewerkingen kunnen uitvoeren", zegt Juan de Pablo, de Liew Family Professor in Molecular Engineering en senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory, en de senior corresponderende auteur op het papier. "Het is echt een spannende stap voor het gebied van actieve materialen."

De details in de gebreken

Het onderzoek was gericht op het nader bekijken van een soort materiaal dat een vloeibaar kristal wordt genoemd. De moleculen in een vloeibaar kristal hebben de neiging om langwerpig te zijn, en wanneer ze samengepakt worden, nemen ze een structuur aan die enige orde heeft, zoals de rechte rijen atomen in een diamantkristal - maar in plaats van op hun plaats te blijven zitten zoals in een vaste stof, kan deze structuur verschuiven ook zoals een vloeistof dat doet. Wetenschappers zijn altijd op zoek naar dit soort eigenaardigheden omdat ze deze ongebruikelijke eigenschappen kunnen gebruiken als basis voor nieuwe technologieën; vloeibare kristallen zitten bijvoorbeeld in de lcd-tv die je misschien al in huis hebt of in het scherm van je laptop.

Een gevolg van deze vreemde moleculaire ordening is dat er plekken in alle vloeibare kristallen zijn waar de geordende gebieden tegen elkaar botsen en hun oriëntaties niet helemaal overeenkomen, wat wetenschappers 'topologische defecten' noemen. Deze vlekken bewegen mee als het vloeibare kristal beweegt.

Wetenschappers zijn geïntrigeerd door deze defecten en vragen zich af of ze kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen - vergelijkbaar met de functies die elektronen dienen in de circuits van uw laptop of telefoon. Maar om technologie uit deze gebreken te maken, moet je ze kunnen leiden waar je ze wilt hebben, en het is erg moeilijk gebleken om hun gedrag te beheersen. "Normaal gesproken, als je door een microscoop kijkt naar een experiment met een actief vloeibaar kristal, zou je complete chaos zien - defecten die overal verschuiven", zei de Pablo.

Maar vorig jaar bedacht een inspanning van het laboratorium van de Pablo onder leiding van Rui Zhang, toen een postdoctoraal wetenschapper aan de Pritzker School of Molecular Engineering, in samenwerking met het laboratorium van prof. Margaret Gardel van UChicago en het laboratorium van prof. Zev Bryant van Stanford, een set van technieken om deze topologische defecten te beheersen. Ze toonden aan dat als ze konden bepalen waar ze energie in het vloeibare kristal stoppen door alleen op specifieke gebieden te schijnen, ze de defecten konden leiden om in specifieke richtingen te bewegen.

In een nieuwe paper gingen ze een logische stap verder en stelden vast dat het theoretisch mogelijk zou moeten zijn om deze technieken te gebruiken om een ​​vloeibaar kristal operaties te laten uitvoeren zoals een computer.

"Deze hebben veel van de kenmerken van elektronen in een circuit - we kunnen ze over lange afstanden verplaatsen, versterken en hun transport sluiten of openen zoals in een transistorpoort, wat betekent dat we ze kunnen gebruiken voor relatief geavanceerde operaties," zei Zhang, nu een assistent-professor aan de Hong Kong University of Science and Technology.

Hoewel berekeningen suggereren dat deze systemen voor berekeningen kunnen worden gebruikt, is de kans groter dat ze uniek nuttig zijn in toepassingen zoals het gebied van zachte robotica, aldus de wetenschappers. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in zachte robots - robots met lichamen die niet zijn gemaakt van hard metaal of plastic, maar eerder rekbare en zachte materialen - omdat hun flexibiliteit en zachte aanraking betekent dat ze functies kunnen uitvoeren die robots met een hard lichaam niet kunnen. Het team kan zich voorstellen dat ze zulke robots maken die een deel van hun eigen 'denkwerk' kunnen doen met behulp van actieve vloeibare kristallen.

Ze kunnen zich ook voorstellen dat ze topologische defecten gebruiken om kleine hoeveelheden vloeistof of andere materialen van plaats naar plaats in kleine apparaten te vervoeren. "Misschien zou men bijvoorbeeld functies in een synthetische cel kunnen uitvoeren", zei Zhang. Het is mogelijk dat de natuur al soortgelijke mechanismen gebruikt om informatie te verzenden of gedragingen in cellen uit te voeren, zei hij.

Het onderzoeksteam, dat ook co-auteur en UChicago-postdoctoraal onderzoeker Ali Mozaffari omvat, werkt samen met medewerkers om experimenten uit te voeren om de theoretische bevindingen te bevestigen.

"Het komt niet vaak voor dat je een nieuwe manier van computergebruik ziet", zegt de Pablo.