Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering har för första gången visat hur man designar de grundläggande elementen som behövs för logiska operationer med hjälp av ett slags material som kallas flytande kristaller – vilket banar väg för ett helt nytt sätt att utföra beräkningar.

Resultaten publicerades den 23 februari i Science Advances , kommer sannolikt inte att bli transistorer eller datorer direkt, men tekniken kan visa vägen mot enheter med nya funktioner inom avkänning, beräkning och robotik.

"Vi visade att du kan skapa de elementära byggstenarna i en krets - grindar, förstärkare och ledare - vilket betyder att du borde kunna sätta ihop dem till arrangemang som kan utföra mer komplexa operationer", säger Juan de Pablo, Liew Family Professor i Molecular Engineering och senior forskare vid Argonne National Laboratory, och senior motsvarande författare på tidningen. "Det är ett riktigt spännande steg för området aktiva material."

Detaljer i defekterna

Forskningen syftade till att titta närmare på en typ av material som kallas flytande kristall. Molekylerna i en flytande kristall tenderar att vara långsträckta, och när de packas ihop antar de en struktur som har en viss ordning, som de raka raderna av atomer i en diamantkristall - men istället för att sitta fast som i ett fast ämne, kan denna struktur också flytta runt som en vätska gör. Forskare letar alltid efter den här typen av konstigheter eftersom de kan använda dessa ovanliga egenskaper som grunden för ny teknik; flytande kristaller, till exempel, finns i LCD-TV:n du kanske redan har i ditt hem eller på skärmen på din bärbara dator.

En konsekvens av denna udda molekylära ordning är att det finns fläckar i alla flytande kristaller där de ordnade regionerna stöter mot varandra och deras orienteringar inte riktigt matchar, vilket skapar vad forskare kallar "topologiska defekter". Dessa fläckar rör sig när den flytande kristallen rör sig.

Forskare är fascinerade av dessa defekter och undrar om de kan användas för att bära information - liknande de funktioner som elektroner tjänar i kretsarna på din bärbara dator eller telefon. Men för att göra teknik av dessa defekter, skulle du behöva kunna sköta dem där du vill ha dem, och det har visat sig vara mycket svårt att kontrollera deras beteende. "Om du normalt tittar genom ett mikroskop på ett experiment med en aktiv flytande kristall, skulle du se fullständigt kaos – defekter som flyttar runt överallt", sa de Pablo.

Men förra året kom ett försök från de Pablos labb under ledning av Rui Zhang, då postdoktor vid Pritzker School of Molecular Engineering, i samarbete med professor Margaret Gardels labb från UChicago och prof. Zev Bryants labb från Stanford, ut en uppsättning av tekniker för att kontrollera dessa topologiska defekter. De visade att om de kontrollerade var de lade energi i den flytande kristallen genom att lysa ett ljus endast på specifika områden, kunde de styra defekterna att röra sig i specifika riktningar.

I en ny artikel tog de det ett logiskt steg längre och fastställde att det borde vara teoretiskt möjligt att använda dessa tekniker för att få en flytande kristall att utföra operationer som en dator.

"Dessa har många av egenskaperna hos elektroner i en krets - vi kan flytta dem långa sträckor, förstärka dem och stänga eller öppna deras transport som i en transistorgrind, vilket betyder att vi kan använda dem för relativt sofistikerade operationer," sa Zhang. nu biträdande professor vid Hong Kong University of Science and Technology.

Även om beräkningar tyder på att dessa system skulle kunna användas för beräkningar, är det mer sannolikt att de är unikt användbara i applikationer som området mjuk robotik, sa forskarna. Forskare är intresserade av mjuka robotar – robotar med kroppar som inte är gjorda av hårdmetall eller plast, utan snarare stretchiga och mjuka material – eftersom deras flexibilitet och milda beröring gör att de kan utföra funktioner som hårdkroppar inte kan. Teamet kan tänka sig att skapa sådana robotar som kan göra lite av sitt eget "tänkande" med hjälp av aktiva flytande kristaller.

De kan också tänka sig att använda topologiska defekter för att transportera små mängder vätska eller annat material från plats till plats inuti små enheter. "Till exempel kanske man skulle kunna utföra funktioner inuti en syntetisk cell," sa Zhang. Det är möjligt att naturen redan använder liknande mekanismer för att överföra information eller utföra beteenden inuti celler, sa han.

Forskargruppen, som även inkluderar medförfattaren och UChicago-postdoktorn Ali Mozaffari, arbetar med medarbetare för att utföra experiment för att bekräfta de teoretiska fynden.

"Det är inte ofta du kan se ett nytt sätt att göra datorer på," sa de Pablo.