Per la prima volta, i ricercatori hanno eseguito operazioni logiche con un dispositivo chimico utilizzando campi elettrici e luce ultravioletta. Il dispositivo e i metodi pionieristici aprono possibilità di ricerca, compreso a bassa potenza, chip per computer ad alte prestazioni.

I chip a semiconduttore comprendono minuscoli transistor elettronici su letti di silicio. Tali dispositivi non possono essere resi molto più piccoli perché gli effetti quantistici inizieranno a predominare. Per questa ragione, gli ingegneri sono alla ricerca di nuove tecniche e materiali per eseguire funzioni logiche e di memoria.

Dottorando Keiichi Yano, il docente Yoshimitsu Itoh e il professor Takuzo Aida del Dipartimento di Chimica e Biotecnologie dell'Università di Tokyo hanno sviluppato un dispositivo con funzioni utili al calcolo. I computer convenzionali utilizzano la carica elettrica per rappresentare le cifre binarie (uno e zero), ma il nuovo dispositivo utilizza campi elettrici e luce UV. Questi consentono un funzionamento a bassa potenza e creano meno calore rispetto ai chip convenzionali.

Il dispositivo è anche molto diverso dagli attuali chip a semiconduttore, in quanto è di natura chimica. Questa proprietà dà origine alla sua potenziale utilità nel futuro del calcolo. Non è solo il vantaggio di potenza e calore; questo dispositivo potrebbe anche essere fabbricato a buon mercato e facilmente. Il dispositivo presenta molecole a forma di disco e bastoncino che si autoassemblano in forme a forma di scala a chiocciola chiamate cristalli liquidi colonnari (CLC) nelle giuste condizioni.

"Una cosa che amo della creazione di un dispositivo usando la chimica è che si tratta meno di 'costruire' qualcosa; invece, è più simile a "crescere" qualcosa, " dice Itoh. "Con delicata precisione, convinciamo i nostri composti a formare forme diverse con funzioni diverse. Pensalo come una programmazione con la chimica."

Prima che inizi un'operazione logica, i ricercatori hanno inserito un campione di CLC tra due lastre di vetro ricoperte di elettrodi. La luce polarizzata, che vibra su un unico piano, passa attraverso il campione a un rivelatore dall'altra parte.

Nello stato predefinito del campione, i CLC esistono in uno stato orientato casualmente che consente alla luce di raggiungere il rivelatore. Quando il campo elettrico o la luce UV vengono accesi e poi spenti singolarmente, l'uscita rilevata rimane la stessa. Ma quando il campo elettrico e la luce UV vengono accesi insieme e poi si spengono di nuovo dopo circa un secondo, i CLC si allineano in modo da bloccare il rilevatore dalla luce.

Se gli stati di uscita di luce e buio e gli stati di ingresso del campo elettrico e della luce UV sono tutti assegnati a cifre binarie per identificarli, quindi il processo ha effettivamente eseguito quella che viene chiamata una funzione AND logica:tutti gli input della funzione devono essere "uno" affinché l'output sia "uno".

"La funzione AND è una delle numerose funzioni logiche fondamentali, ma la più importante per il calcolo è la funzione NOT-AND o NAND. Questa è una delle diverse aree per ulteriori ricerche, " spiega Yano. "Vogliamo anche aumentare la velocità e la densità dei CLC per renderli più pratici per l'uso. Sono affascinato da come le molecole autoassemblanti come quelle che usiamo per creare i CLC diano origine a fenomeni come le funzioni logiche".