芝加哥大学分子工程师展示用液晶制造“计算机”的方法

最近发表在《科学进展》上的这一成果不可能立即成为晶体管或计算机，但这一技术可以为具有传感、计算和机器人等新功能的设备指明方向。

“我们的研究表明你可以创建电路的基本构件--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排列方式，”阿贡国家实验室的高级科学家、该论文的资深通讯作者Juan de Pablo说。“对于活性材料领域来说，这是一个真正令人兴奋的步骤。”

该研究旨在更仔细地观察一种叫做液晶的材料。液晶中的分子往往是细长的，当它们挤在一起时，采用一种具有某种秩序的结构，就像钻石晶体中的直排原子一样--但这种结构并不像固体那样被固定在原地，而是也能像液体那样四处移动。科学家们一直在寻找这类奇怪的东西，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你的笔记本电脑的屏幕中就有液晶。

这种奇怪的分子秩序的一个后果是，在所有的液晶中都有一些点，这些有序的区域相互碰撞，它们的方向不完全匹配，产生了科学家所说的“拓扑学缺陷”。这些斑点随着液晶的移动而移动。

科学家们对这些缺陷很感兴趣，想知道它们是否可以用来携带信息--类似于你的笔记本电脑或手机电路中的电子功能。但是为了用这些缺陷制造技术，你需要能够把它们放在你想要的地方，而事实证明控制它们的行为非常困难。de Pablo说：“通常情况下，如果你通过显微镜观察一个有源液晶的实验，你会看到完全的混乱--缺陷在所有地方移动。”

但是去年，de Pablo的实验室在时任普利兹克分子工程学院博士后的张锐领导下，与芝加哥大学的玛格丽特-加德尔教授实验室和斯坦福大学的泽夫-布莱恩特教授实验室合作，想出了一套控制这些拓扑缺陷的技术。他们表明，如果他们通过只对特定区域进行光照来控制向液晶中投放能量的位置，他们可以引导缺陷向特定方向移动。

在一篇新的论文中，他们在逻辑上更进一步，确定在理论上应该可以使用这些技术使液晶像计算机一样执行操作。

现在是香港科技大学副教授的张锐说：“这些具有电路中电子的许多特性--我们可以长距离移动它们，放大它们，并像晶体管门一样关闭或打开它们的传输，这意味着我们可以用它们进行相对复杂的操作。”

科学家们表示，尽管计算表明这些系统可用于计算，但它们更有可能在软体机器人领域等应用中发挥独特的作用。研究人员对软体机器人感兴趣--身体不是由坚硬的金属或塑料制成，而是由弹性和柔软的材料制成的机器人--因为它们的灵活性和柔性的触感意味着它们可以执行普通机器人无法执行的功能。该团队可以想象创造这样的机器人，它们可以使用活性液晶做一些自己的“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从一个地方运送到另一个地方的微小装置内。张锐说：“例如，也许可以在一个合成细胞内执行功能。”他说，自然界可能已经使用类似的机制来传输信息或在细胞内执行行为。

该研究小组还包括共同作者和芝加哥大学博士后研究员Ali Mozaffari，他们正与合作者合作开展实验，以确认理论研究结果。

de Pablo表示：“你能够看到一种新的计算方式是不常见的。”