芝加哥大学Pritzker分子工程学院的研究人员展示了如何使用液晶来执行计算，使用如上图所示的技术，其中红色区域由光激活。荣誉:芝加哥大学普利兹克分子工程学院的张睿研究人员首次展示了如何使用一种叫做液晶的材料来设计逻辑运算所需的基本元素——为一种全新的计算方式铺平了道路。这项成果于2月23日在科学进展发表，不太可能马上变成晶体管或计算机，但这项技术可能会为具有传感、计算和机器人新功能的设备指明方向。
“我们展示了你可以创建电路的基本构建模块——门、放大器和导体——这意味着你应该能够将它们组装成能够执行更复杂操作的安排，”阿贡国家实验室的分子工程和高级科学家刘氏家族教授、论文的高级通讯作者胡安·德巴勃罗说。“对于活性材料领域来说，这真是令人激动的一步。”
缺陷中的细节
这项研究旨在近距离观察一种叫做液晶的材料。液晶中的分子往往是细长的，当它们聚集在一起时，它们会采用某种有序的结构，就像钻石晶体中的直排原子一样——但这种结构不会像固体一样固定在某个位置，而是像液体一样可以四处移动。科学家们总是在寻找这些奇怪的东西，因为他们可以利用这些不寻常的特性作为新技术的基础；例如，你家里可能已经有的液晶电视或笔记本电脑的屏幕上就有液晶。
这种奇怪的分子顺序的一个结果是，在所有液晶中，有序区域相互碰撞，红外取向不完全匹配，产生了科学家所谓的“拓扑缺陷”。这些斑点随着液晶的移动而移动。
科学家对这些缺陷很感兴趣，想知道它们是否可以用来携带信息——类似于电子在笔记本电脑或电话电路中的功能。但是为了让技术摆脱这些缺陷，你需要能够引导它们去你想去的地方，事实证明控制它们的行为是非常困难的。“通常情况下，如果你通过显微镜观察一个活性液晶实验，你会看到完全的混乱——缺陷到处移动，”德·巴勃罗说。
但是去年，由当时普利兹克分子工程学院的博士后学者张睿领导的德巴勃罗实验室，与UChicago的玛格丽特加尔德尔教授的实验室和Stanford的Zev Bryant教授的实验室合作，找到了一套控制这些拓扑缺陷的技术。他们表明，如果他们通过只在特定区域照射光线来控制向液体阚洪岩l中注入能量的位置，他们就可以引导缺陷向特定方向移动。
在一篇新的论文中，他们采取了更进一步的逻辑步骤，并确定理论上可以使用这些技术使液晶像计算机一样执行操作。
现任香港科技大学(Hong Kong University of Science and Technology)助理教授的张表示:“这些电子具有电路中电子的许多特征——我们可以将它们移动很远，放大它们，像在晶体管栅极中一样关闭或打开它们的传输，这意味着我们可以用它们来进行相对复杂的操作。”。
科学家们说，尽管计算表明这些系统可以用于计算，但它们更有可能在软机器人领域等应用中发挥独特的作用。研究人员对软机器人感兴趣——机器人的身体不是由硬金属或塑料制成，而是由弹性和柔软的材料制成——因为它们的灵活性和温和的触摸意味着它们可以执行硬身体机器人不能执行的功能。该团队可以想象创造这样的机器人，它们可以使用主动液晶进行一些自己的“思考”。
他们还可以想象利用拓扑缺陷将少量液体或其他材料在微小设备内从一个地方运送到另一个地方。“举例来说，也许一个人可以在一个合成细胞内执行功能，”张说。他说，自然界可能已经使用类似的机制在细胞内传递信息或执行行为。
包括合著者、UChicago博士后研究员阿里·莫扎法里在内的研究团队正在与合作者一起进行实验，以证实理论发现。
“你很少能看到一种新的计算方式，”德·巴勃罗说。
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