Как сделать компьютер из жидких кристаллов?

Работа в Science Advances, авторами которой являются ученые из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, демонстрирует, как создать ведущие элементы для логических операций с помощью жидкого кристалла. Новая разработка является первой в своем роде и может привести к практическому созданию принципиально нового метода выполнения вычислений.

Конечно, новая технология не приведет к скорейшему появлению инновационных транзисторов или компьютеров. Но она имеет огромное значение для разработки устройств с новыми возможностями в области вычислений, датчиков и робототехники.

Авторы работы показали, что в принципе возможно создавать элементарные строительные блоки схемы — вентили, усилители и проводники. А это означает, что их возможно собрать в устройства, способные на выполнение более сложных операций.

Исследователи были сосредоточены на изучении типа материала, который называют жидким кристаллом. Одно из уникальных свойств жидкого кристалла — особенность его молекул, которые обычно имеют удлиненную форму и приобретают упорядоченную структуру, когда они собраны вместе. Однако эта структура может перемещаться подобно жидкости, и ученые хотели использовать эти уникальные свойства для создания новых технологий.

Разный молекулярный порядок означает, что во всех жидких кристаллах присутствуют локализации, где упорядоченные  друг с другом идеально — авторы работы называют это «топологическими дефектами». Такие пятна перемещаются синхронно с движением жидкого кристалла.

Ученые рассматривали вопрос, можно ли использовать эти дефекты для передачи информации. Тогда для создания рабочей технологии потребуется возможность перемещать пятна туда, куда нужно, но до недавнего момента у исследователей плохо получалось контролировать их поведение. Фактически наблюдался полный хаос — дефекты двигались непредсказуемо.

Прорыв произошел, когда определился набор методов, которые можно применять для контроля перемещения топологических дефектов. При контроле мест приложения энергии в жидком кристалле (это производилось путем освещения определенных областей) дефекты оказалось возможным направлять в определенные локации.

Эти пятна наделены некоторыми свойствами электронов в цепи: их можно перемещать на большие расстояния, усиливать, а также запускать или прекращать их перемещение, что позволяет использовать их для относительно сложных операций.

Хотя расчеты уже сейчас предполагают, что такие дефекты можно применять для вычислений, они, скорее всего, будут наиболее полезны в мягкой робототехнике. Разработчики метода считают, что с помощью активных жидких кристаллов реально создавать мягкую робототехнику с собственным «мышлением». Они также надеются, что топологические дефекты пригодятся для транспортировки небольших количеств жидкости или других материалов внутри миниатюрных устройств.

В настоящий момент команда исследователей работает над практическими экспериментами для подтверждения своих теоретических выводов.