تكنولوجيا

يوضح المهندسون الجزيئيون كيفية صنع “كمبيوتر” من البلورات السائلة

يمكن أن تؤدي البلورات السائلة الحسابات

أوضح باحثون من كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو كيف يمكن استخدام البلورات السائلة لإجراء العمليات الحسابية باستخدام تقنيات مثل تلك الموضحة أعلاه ، حيث يتم تنشيط المنطقة الأكثر احمرارًا بالضوء. الائتمان: الصورة مجاملة من روي زانغ

يمكن أن يمهد اختراق في UChicago الطريق للتطبيقات في مجال الروبوتات ، والحوسبة باستخدام المواد اللينة.

باحثين مع جامعة شيكاغو أظهرت مدرسة بريتزكر للهندسة الجزيئية لأول مرة كيفية تصميم اللبنات الأساسية اللازمة للعمليات المنطقية باستخدام نوع من المواد يسمى البلور السائل ، مما يمهد الطريق لطريقة جديدة تمامًا لإجراء العمليات الحسابية.

تم نشر النتائج مؤخرًا في تقدم العلماءمن المحتمل ألا تصبح ترانزستورات أو أجهزة كمبيوتر على الفور ، ولكن هذه التقنية يمكن أن تمهد الطريق للأجهزة ذات القدرات الجديدة في الاستشعار والحوسبة والروبوتات.

قال خوان: “لقد أظهرنا أنه يمكنك إنشاء اللبنات الأساسية للدائرة – البوابات ومكبرات الصوت والموصلات – مما يعني أنه يجب أن تكون قادرًا على تجميعها في ترتيبات قادرة على أداء عمليات أكثر تعقيدًا”. دي بابلو ، عائلة Liew أستاذ الهندسة الجزيئية وكبير العلماء في مختبر أرجون الوطني ، وكبير مؤلفي الورقة. “هذه خطوة مثيرة حقًا في مجال المواد الفعالة.”

التفاصيل في العيوب

يهدف البحث إلى إلقاء نظرة فاحصة على نوع من المواد يسمى الكريستال السائل. تميل جزيئات البلورة السائلة إلى الاستطالة ، وعند تجميعها معًا تتبنى بنية لها ترتيب معين ، مثل صفوف الذرات المستقيمة في بلورة الماس ، ولكن بدلاً من أن يتم حظرها في مكانها كما هو الحال في مادة صلبة يمكن أن يتحرك أيضًا كما يفعل السائل. يبحث العلماء دائمًا عن هذه الأنواع من المراوغات لأنهم يستطيعون استخدام هذه الخصائص غير العادية كأساس للتقنيات الجديدة ؛ توجد البلورات السائلة ، على سبيل المثال ، في تلفزيون LCD الذي قد يكون موجودًا بالفعل في منزلك أو في شاشة الكمبيوتر المحمول.

نتيجة لهذا الترتيب الجزيئي الغريب هو أن هناك نقاطًا في جميع البلورات السائلة حيث تتصادم المناطق المرتبة مع بعضها البعض ولا تتطابق اتجاهاتهم تمامًا ، مما يخلق ما يسميه العلماء “عيوبًا طوبولوجية”. تتحرك هذه البقع مع تحرك الكريستال السائل.

ينبهر العلماء بهذه العيوب ، ويتساءلون عما إذا كان من الممكن استخدامها لنقل المعلومات – على غرار الوظائف التي تؤديها الإلكترونات في دوائر الكمبيوتر المحمول أو الهاتف. ولكن لإخراج التكنولوجيا من تلك العيوب ، يجب أن تكون قادرًا على توجيههم حيث تريدهم ، وقد ثبت أن التحكم في سلوكهم أمر صعب للغاية. قال دي بابلو: “في العادة ، إذا نظرت من خلال مجهر إلى تجربة باستخدام بلور سائل نشط ، فسترى فوضى كاملة – عيوب تتحرك في كل مكان”.

لكن في العام الماضي ، أدركت الجهود التي بذلها مختبر بابلو بقيادة روي زانج ، الذي كان حينها باحثًا ما بعد الدكتوراه في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية ، بالتعاون مع مختبر البروفيسور مارغريت غارديل في جامعة شيكاغو ومختبر البروفيسور زيف براينت في ستانفورد. مجموعة من التقنيات للسيطرة على هذه العيوب الطوبولوجية. أظهروا أنهم إذا سيطروا على مكان وضعهم للطاقة في البلورة السائلة عن طريق تسليط الضوء على مناطق معينة فقط ، فيمكنهم توجيه العيوب للتحرك في اتجاهات محددة.

في ورقة جديدة ، ذهبوا إلى أبعد من ذلك وقرروا أنه يجب أن يكون من الممكن نظريًا استخدام هذه التقنيات للحصول على بلورة سائلة لإجراء عمليات شبيهة بالكمبيوتر.

قال تشانغ ، “هذه لها العديد من خصائص الإلكترونات في الدائرة – يمكننا تحريكها لمسافات طويلة ، وتضخيمها وإغلاق أو فتح نقلها كما هو الحال في بوابة الترانزستور ، مما يعني أنه يمكننا استخدامها لعمليات معقدة نسبيًا”. أستاذ مساعد في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا.

على الرغم من أن الحسابات تشير إلى أن هذه الأنظمة يمكن استخدامها لأغراض حسابية ، إلا أنه من المرجح أن تكون مفيدة فقط في تطبيقات مثل مجال الروبوتات اللينة ، كما قال العلماء. يهتم الباحثون بالروبوتات اللينة – الروبوتات التي لا تُصنع أجسامها من معدن صلب أو بلاستيك ، بل مصنوعة من مواد لينة ومرنة – لأن مرونتها ونعومة ملمسها تعني أنها تستطيع أداء وظائف لا تستطيع الروبوتات صلبة البدن القيام بها. يمكن للفريق أن يتخيل إنشاء مثل هذه الروبوتات التي يمكنها القيام ببعض “تفكيرهم” باستخدام بلورات سائلة نشطة.

“لا ترى غالبًا طريقة جديدة للقيام بالحوسبة.”

البروفيسور خوان دي بابلو

يمكنهم أيضًا تخيل استخدام العيوب الطوبولوجية لنقل كميات صغيرة من السوائل أو المواد الأخرى من مكان إلى آخر داخل أجهزة صغيرة. قال تشانغ “على سبيل المثال ، ربما يمكنك أداء وظائف داخل خلية اصطناعية”. وقال إنه من المحتمل أن الطبيعة تستخدم بالفعل آليات مماثلة لنقل المعلومات أو أداء السلوكيات داخل الخلايا.

يعمل فريق البحث ، الذي يضم أيضًا المؤلف المشارك وباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة شيكاغو علي مظفري ، مع متعاونين لإجراء تجارب لتأكيد النتائج النظرية.

قال دي بابلو: “ليس من المعتاد أن ترى طريقة جديدة للقيام بالحوسبة”.

المرجع: “العمليات المنطقية ذات العيوب الطوبولوجية النشطة” بقلم روي زانج وعلي مظفاري وخوان جيه دي بابلو ، 23 فبراير 2022 ، تقدم العلماء.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9060

استخدم هذا العمل موارد مركز أبحاث علوم وهندسة المواد بجامعة شيكاغو.

التمويل: National Science Foundation، Hong Kong Research Grants Council.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button