芝加哥大學(xué)分子工程師展示用液晶制造“計(jì)算機(jī)”的方法

最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的這一成果不可能立即成為晶體管或計(jì)算機(jī)，但這一技術(shù)可以為具有傳感、計(jì)算和機(jī)器人等新功能的設(shè)備指明方向。

“我們的研究表明你可以創(chuàng)建電路的基本構(gòu)件--門、放大器和導(dǎo)體--這意味著你應(yīng)該能夠?qū)⑺鼈兘M裝成能夠執(zhí)行更復(fù)雜操作的排列方式，”阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)科學(xué)家、該論文的資深通訊作者Juan de Pablo說。“對于活性材料領(lǐng)域來說，這是一個(gè)真正令人興奮的步驟。”

該研究旨在更仔細(xì)地觀察一種叫做液晶的材料。液晶中的分子往往是細(xì)長的，當(dāng)它們擠在一起時(shí)，采用一種具有某種秩序的結(jié)構(gòu)，就像鉆石晶體中的直排原子一樣--但這種結(jié)構(gòu)并不像固體那樣被固定在原地，而是也能像液體那樣四處移動(dòng)。科學(xué)家們一直在尋找這類奇怪的東西，因?yàn)樗麄兛梢岳眠@些不尋常的特性作為新技術(shù)的基礎(chǔ)；例如，你家里可能已經(jīng)有的液晶電視或你的筆記本電腦的屏幕中就有液晶。

這種奇怪的分子秩序的一個(gè)后果是，在所有的液晶中都有一些點(diǎn)，這些有序的區(qū)域相互碰撞，它們的方向不完全匹配，產(chǎn)生了科學(xué)家所說的“拓?fù)鋵W(xué)缺陷”。這些斑點(diǎn)隨著液晶的移動(dòng)而移動(dòng)。

科學(xué)家們對這些缺陷很感興趣，想知道它們是否可以用來攜帶信息--類似于你的筆記本電腦或手機(jī)電路中的電子功能。但是為了用這些缺陷制造技術(shù)，你需要能夠把它們放在你想要的地方，而事實(shí)證明控制它們的行為非常困難。de Pablo說：“通常情況下，如果你通過顯微鏡觀察一個(gè)有源液晶的實(shí)驗(yàn)，你會(huì)看到完全的混亂--缺陷在所有地方移動(dòng)。”

但是去年，de Pablo的實(shí)驗(yàn)室在時(shí)任普利茲克分子工程學(xué)院博士后的張銳領(lǐng)導(dǎo)下，與芝加哥大學(xué)的瑪格麗特-加德爾教授實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的澤夫-布萊恩特教授實(shí)驗(yàn)室合作，想出了一套控制這些拓?fù)淙毕莸募夹g(shù)。他們表明，如果他們通過只對特定區(qū)域進(jìn)行光照來控制向液晶中投放能量的位置，他們可以引導(dǎo)缺陷向特定方向移動(dòng)。

在一篇新的論文中，他們在邏輯上更進(jìn)一步，確定在理論上應(yīng)該可以使用這些技術(shù)使液晶像計(jì)算機(jī)一樣執(zhí)行操作。

現(xiàn)在是香港科技大學(xué)副教授的張銳說：“這些具有電路中電子的許多特性--我們可以長距離移動(dòng)它們，放大它們，并像晶體管門一樣關(guān)閉或打開它們的傳輸，這意味著我們可以用它們進(jìn)行相對復(fù)雜的操作。”

科學(xué)家們表示，盡管計(jì)算表明這些系統(tǒng)可用于計(jì)算，但它們更有可能在軟體機(jī)器人領(lǐng)域等應(yīng)用中發(fā)揮獨(dú)特的作用。研究人員對軟體機(jī)器人感興趣--身體不是由堅(jiān)硬的金屬或塑料制成，而是由彈性和柔軟的材料制成的機(jī)器人--因?yàn)樗鼈兊撵`活性和柔性的觸感意味著它們可以執(zhí)行普通機(jī)器人無法執(zhí)行的功能。該團(tuán)隊(duì)可以想象創(chuàng)造這樣的機(jī)器人，它們可以使用活性液晶做一些自己的“思考”。

他們還可以想象利用拓?fù)淙毕輰⑸倭恳后w或其他材料從一個(gè)地方運(yùn)送到另一個(gè)地方的微小裝置內(nèi)。張銳說：“例如，也許可以在一個(gè)合成細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行功能。”他說，自然界可能已經(jīng)使用類似的機(jī)制來傳輸信息或在細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行行為。

該研究小組還包括共同作者和芝加哥大學(xué)博士后研究員Ali Mozaffari，他們正與合作者合作開展實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)理論研究結(jié)果。

de Pablo表示：“你能夠看到一種新的計(jì)算方式是不常見的。”