I ricercatori di HKUST e UChicago trovano nuovi modi per sfruttare i difetti topologici nei cristalli liquidi per creare un “computer”
I ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) e dell’Università di Chicago (UChicago) hanno mostrato per la prima volta come progettare gli elementi di base necessari per le operazioni logiche utilizzando un tipo di materiale morbido chiamato cristalli liquidi, aprendo la strada per un modo completamente nuovo di eseguire calcoli con potenziali applicazioni nella robotica.
“Abbiamo dimostrato che è possibile creare gli elementi costitutivi elementari di un circuito – gate, amplificatori e conduttori – con cristalli liquidi, il che significa che dovresti essere in grado di assemblarli in disposizioni in grado di eseguire operazioni più complesse”, ha affermato Juan DE PABLO, il professore della famiglia Liew in ingegneria molecolare presso la Pritzker School for Molecular Engineering, UChicago, scienziato senior presso l’Argonne National Laboratory e l’autore corrispondente senior dell’articolo. “Non capita spesso di vedere un nuovo modo di fare informatica ed è un passo davvero entusiasmante per il campo dei materiali attivi”.
La ricerca mirava a dare un’occhiata più da vicino all’ordine molecolare nei cristalli liquidi, un materiale morbido comunemente usato nella realizzazione di televisori LCD e schermi di laptop. Le molecole in un cristallo liquido tendono ad essere allungate e, quando sono ammassate insieme, adottano una struttura ordinata che può anche spostarsi come fa un liquido.
Una conseguenza di questo strano ordine molecolare è che ci sono punti in tutti i cristalli liquidi in cui le regioni ordinate urtano l’una contro l’altra e i loro orientamenti non corrispondono, creando quelli che gli scienziati chiamano “difetti topologici”.
Gli scienziati sono incuriositi da questi difetti, chiedendosi se potrebbero essere usati per trasportare informazioni, simili alle funzioni che gli elettroni svolgono nei circuiti del nostro laptop o telefono. Ma si è rivelato molto difficile controllare il loro comportamento. “Normalmente, se guardi al microscopio un esperimento con un cristallo liquido attivo, vedresti il caos completo: i difetti si spostano dappertutto”, ha affermato il prof. de Pablo.
Ma l’anno scorso, uno sforzo del laboratorio del Prof. de Pablo guidato dal Prof. ZHANG Rui, assistente professore al Dipartimento di Fisica, HKUST, poi borsista post-dottorato presso la Pritzker School of Molecular Engineering, in collaborazione con il laboratorio della Prof. Margaret GARDEL di UChicago e il laboratorio del Prof. Zev BRYANT di Stanford, hanno scoperto una serie di tecniche per controllare questi difetti topologici .
Hanno mostrato che se controllavano dove immettevano energia nel cristallo liquido illuminando una luce solo su aree specifiche, potevano guidare i difetti a muoversi in direzioni specifiche. In un nuovo articolo successivo, hanno compiuto un ulteriore passo logico e hanno stabilito che dovrebbe essere teoricamente possibile utilizzare queste tecniche per fare in modo che un cristallo liquido esegua operazioni come un computer.
I risultati sono stati pubblicati su Science Advances il 23 febbraio 2022.
“Questi difetti topologici hanno molte delle caratteristiche degli elettroni in un circuito: possiamo spostarli per lunghe distanze, amplificarli e chiudere o aprire il loro trasporto come in un gate di transistor, il che significa che potremmo usarli per operazioni relativamente sofisticate”, ha aggiunto Prof.Zhang.
Sebbene sia improbabile che i risultati diventino transistor o computer immediatamente, la tecnica potrebbe indicare la strada verso dispositivi con nuove funzioni nel rilevamento, nell’informatica e nella robotica, in particolare nel campo della robotica morbida. Utilizzando cristalli liquidi attivi, il team ha affermato che potrebbe essere possibile creare robot morbidi in grado di fare parte del proprio “pensiero”.
Possono anche immaginare di utilizzare difetti topologici per trasportare piccole quantità di liquidi o altri materiali da un posto all’altro all’interno di minuscoli dispositivi. “Ad esempio, forse si potrebbero svolgere funzioni all’interno di una cellula sintetica”, ha affermato il prof. Zhang. È possibile che la natura utilizzi già meccanismi simili per trasmettere informazioni o eseguire comportamenti all’interno delle cellule, ha affermato.
Il gruppo di ricerca, che comprende anche il coautore e ricercatore post-dottorato di UChicago Ali MOZAFFARI, sta lavorando con i collaboratori per condurre esperimenti per confermare i risultati teorici.
Questo lavoro ha utilizzato risorse dell’Università di Chicago Materials Research Science and Engineering Center.
