Используемые для новых технологий жидкие кристаллы представляют большой интерес для инженеров-исследователей. Ранее команде из Чикагского университета удалось управлять «топологическими дефектами» этих типов кристаллов с помощью направленного света, и теперь известно, что они могут быть использованы для логических вычислительных операций. Полезное применение в мягкой робототехнике, а также в синтетической биологии.
Не совсем твердое и не совсем жидкое, жидкий кристалл — это состояние вещества, обладающее свойствами как обычной жидкости, так и кристаллизованного твердого тела. Эти вещества всегда привлекают внимание материаловедов, поскольку составляют основу новых технологий. Они встречаются, например, в ЖК-экранах.
Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета теперь нашли им дополнительное применение: для выполнения логических операций, что открывает путь к новому способу выполнения вычислений. Таким образом, жидкие кристаллы могут быть использованы в качестве небольших «компьютеров» и в области мягкой робототехники.
«Мы показали, что основные элементы схемы — затворы, усилители и проводники — могут быть созданы с помощью жидких кристаллов, а это значит, что их можно собирать для выполнения более сложных операций«, — пояснил в пресс-релизе профессор Хуан Де Пабло, исследователь в области молекулярной инженерии в Чикагском университете и соавтор . «Нечасто нам удается увидеть новый способ проведения вычислений, и это действительно захватывающий шаг для области активных материалов«.
Жидкие кристаллы текут как жидкость, но их молекулярная структура напоминает кристалл; настолько, что решетка, образованная молекулами, обычно упорядочена. Однако структура также может быть «подвижной», как жидкость, и беспорядочные точки называются «топологическими дефектами». Они позволяют жидким кристаллам течь, двигаться и приобретать оптические свойства (такие, как изменение цвета в дисплеях).
Не ново, что дефекты в молекулярных структурах являются основой для интересных приложений, таких как несовершенные алмазы для квантового интернета. В этом случае «топологические дефекты обладают многими характеристиками электронов в цепи«, — объясняет профессор Руи Чжан с кафедры физики Гонконгского университета науки и технологии. Таким образом, их можно использовать для передачи информации, но по-прежнему необходимо иметь возможность контролировать их поведение. «Обычно, если вы посмотрите под микроскопом на эксперимент с активным жидким кристаллом, вы увидите полный хаос: повсюду движутся дефекты«, — говорит де Пабло.
В прошлом году команде, в которую входят два профессора, удалось управлять движением топологических дефектов в жидких кристаллах. Используя луч света, направленный на определенные участки, они смогли направить дефекты в эти области.
В новом исследовании ученые с помощью моделирования показали, что «световая техника» позволяет дефектам выполнять вычислительные операции, подобно компьютеру. Но исследователи считают, что жидкие кристаллы будут больше использоваться для мягкой робототехники. Напомним, что тела мягких роботов сделаны из податливых материалов, что позволяет им выполнять другие операции по сравнению с роботами с твердым телом. Кроме того, эти мягкие роботы могут выполнять математические операции.
Топологические дефекты жидких кристаллов также могут быть использованы для перемещения объектов из одного места в другое в крошечных устройствах. «Например, можно было бы выполнять функции внутри синтетической клетки«, — объясняет Чжан. Теперь ученым необходимо подтвердить полученные результаты с помощью экспериментов.