I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago hanno mostrato per la prima volta come progettare gli elementi di base necessari per le operazioni logiche utilizzando un tipo di materiale chiamato cristallo liquido, aprendo la strada a un modo completamente nuovo di eseguire i calcoli.

I risultati, pubblicati il ​​23 febbraio su Science Advances , è improbabile che diventino transistor o computer immediatamente, ma la tecnica potrebbe indicare la strada verso dispositivi con nuove funzioni di rilevamento, informatica e robotica.

"Abbiamo mostrato che è possibile creare gli elementi costitutivi elementari di un circuito - cancelli, amplificatori e conduttori - il che significa che dovresti essere in grado di assemblarli in disposizioni in grado di eseguire operazioni più complesse", ha affermato Juan de Pablo, professore di famiglia Liew in Ingegneria molecolare e scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory e autore corrispondente senior dell'articolo. "È un passo davvero emozionante per il campo dei materiali attivi."

I dettagli nei difetti

La ricerca mirava a dare un'occhiata più da vicino a un tipo di materiale chiamato cristallo liquido. Le molecole in un cristallo liquido tendono ad essere allungate e, quando sono impacchettate insieme, adottano una struttura che ha un certo ordine, come le file diritte di atomi in un cristallo di diamante, ma invece di essere bloccate in posizione come in un solido, questa struttura può anche spostarsi come fa un liquido. Gli scienziati sono sempre alla ricerca di questo tipo di stranezze perché possono utilizzare queste proprietà insolite come base di nuove tecnologie; i cristalli liquidi, ad esempio, si trovano nella TV LCD che potresti già avere a casa o nello schermo del tuo laptop.

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". Questi punti si muovono mentre il cristallo liquido si muove.

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 tuo laptop o telefono. Ma per far uscire la tecnologia da questi difetti, dovresti essere in grado di guidarli dove vuoi, e 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 detto de Pablo.

Ma l'anno scorso, uno sforzo del laboratorio di de Pablo guidato da Rui Zhang, allora 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, ha scoperto un set di tecniche per controllare questi difetti topologici. Hanno dimostrato che se controllassero dove immettevano energia nel cristallo liquido illuminando una luce solo su aree specifiche, potrebbero guidare i difetti a muoversi in direzioni specifiche.

In un nuovo articolo, 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.

"Questi 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 detto Zhang, ora professore assistente presso l'Università di scienza e tecnologia di Hong Kong.

Sebbene i calcoli suggeriscano che questi sistemi potrebbero essere utilizzati per i calcoli, è più probabile che siano particolarmente utili in applicazioni come il campo della robotica morbida, hanno affermato gli scienziati. I ricercatori sono interessati ai robot morbidi, robot con corpi che non sono fatti di metallo duro o plastica, ma materiali piuttosto elastici e morbidi, perché la loro flessibilità e tocco delicato significano che possono svolgere funzioni che i robot dal corpo duro non possono. Il team può immaginare di creare tali robot in grado di fare parte del proprio "pensare" utilizzando cristalli liquidi attivi.

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 detto Zhang. È possibile che la natura utilizzi già meccanismi simili per trasmettere informazioni o eseguire comportamenti all'interno delle cellule, ha affermato.

Il team 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.

"Non capita spesso di essere in grado di vedere un nuovo modo di fare informatica", ha detto de Pablo.