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 cristalli liquidi, aprendo la strada a un modo completamente nuovo di eseguire calcoli.
I risultati, pubblicati di recente su Science Advances, non sono suscettibili di diventare subito transistor o computer, ma la tecnica potrebbe indicare la strada verso dispositivi con nuove funzioni di rilevamento, informatica e robotica.
"Abbiamo dimostrato che è possibile creare gli elementi costitutivi elementari di un circuito, porte, amplificatori e conduttori, il che significa che si dovrebbe essere in grado di assemblarli in disposizioni capaci di eseguire operazioni più complesse", ha dichiarato Juan de Pablo, professore di ingegneria molecolare della famiglia Liew e scienziato senior presso l'Argonne National Laboratory e autore corrispondente senior dell'articolo. "È un passo davvero entusiasmante per il campo dei materiali attivi".
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 delle nuove tecnologie; i cristalli liquidi, ad esempio, si trovano nella TV LCD che potresti già avere in 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 si scontrano l'una contro l'altra e i loro orientamenti non corrispondono del tutto, creando ciò che gli scienziati chiamano "difetti topologici". Questi punti si muovono mentre il cristallo liquido si muove.
Gli scienziati, incuriositi da questi difetti, si sono chiesti se essi potrebbero essere utilizzati per trasportare informazioni, simili alle funzioni adottate dagli elettroni nei circuiti di un laptop o di un telefono. Ma per ottenere tecnologie da questi difetti, bisognerebbe essere in grado di guidarli dove si desidera, e si è rivelato molto difficile controllare il comportamento dei cristalli liquidi. "Normalmente, se guardi attraverso un microscopio un esperimento con un cristallo liquido attivo, vedresti il caos completo, difetti che si spostano dappertutto", ha spiegato de Pablo.
Ma l'anno scorso, uno sforzo del laboratorio di de Pablo guidato da Rui Zhang, allora studioso post-dottorato presso la Pritzker School of Molecular Engineering, in collaborazione con il laboratorio della Prof.ssa Margaret Gardel di UChicago e il laboratorio del Prof. Zev Bryant di Stanford, ha elaborato una serie di tecniche per controllare questi difetti topologici. Hanno dimostrato che se controllavano dove mettevano energia nel cristallo liquido facendo brillare una luce solo su aree specifiche, potevano guidare i difetti in modo da farli muovere in direzioni specifiche.
In un nuovo articolo, gli scienziati hanno fatto un ulteriore passo logico e hanno determinato che dovrebbe essere teoricamente possibile utilizzare queste tecniche per far sì che un cristallo liquido esegua operazioni utili per un computer.
"Questi hanno molte delle caratteristiche degli elettroni in un circuito: possiamo spostarli su lunghe distanze, amplificarli e chiudere o aprire il loro trasporto come in un gate a transistor, il che significa che potremmo usarli per operazioni relativamente sofisticate", ha dichiarato Zhang, ora assistente professore 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 utili in applicazioni come il campo della robotica morbida, hanno detto gli scienziati. I ricercatori sono interessati ai robot morbidi, robot con corpi che non sono fatti di metallo duro o plastica, ma piuttosto materiali elastici e morbidi, perché la loro flessibilità e il tocco delicato significherebbero che possono essere in grado di svolgere funzioni che i robot con corpo duro non possono svolgere.
Possono anche immaginare di utilizzare difetti topologici per trasportare piccole quantità di liquido o altri materiali da un posto all'altro all'interno di piccoli dispositivi. "Ad esempio, forse si potrebbero svolgere funzioni all'interno di una cellula sintetica", ha affermato Zhang. È possibile che la natura utilizzi già meccanismi simili per trasmettere informazioni o eseguire comportamenti all'interno delle cellule, ha detto.
Il team di ricerca, che comprende anche il co-autore e ricercatore post-dottorato UChicago Ali Mozaffari, sta lavorando con i collaboratori per effettuare esperimenti per confermare i risultati teorici. "Non capita spesso di vedere un nuovo modo di fare informatica", ha dichiarato de Pablo.