Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago han demostrado por primera vez cómo diseñar los elementos básicos necesarios para las operaciones lógicas utilizando un tipo de material llamado cristal líquido, allanando el camino para una forma completamente nueva de realizar cálculos.

Los resultados, publicados el 23 de febrero en Science Advances , no es probable que se conviertan en transistores o computadoras de inmediato, pero la técnica podría señalar el camino hacia dispositivos con nuevas funciones en detección, computación y robótica.

"Demostramos que puede crear los componentes básicos básicos de un circuito (compuertas, amplificadores y conductores), lo que significa que debería poder ensamblarlos en arreglos capaces de realizar operaciones más complejas", dijo Juan de Pablo, profesor de la familia Liew en Ingeniería Molecular y científico principal en el Laboratorio Nacional de Argonne, y autor correspondiente principal del artículo. "Es un paso realmente emocionante para el campo de los materiales activos".

Los detalles en los defectos

La investigación tuvo como objetivo observar más de cerca un tipo de material llamado cristal líquido. Las moléculas en un cristal líquido tienden a ser alargadas, y cuando se agrupan adoptan una estructura que tiene cierto orden, como las filas rectas de átomos en un cristal de diamante, pero en lugar de permanecer fijas como en un sólido, esta estructura puede también se desplaza como lo hace un líquido. Los científicos siempre están buscando este tipo de rarezas porque pueden utilizar estas propiedades inusuales como base para nuevas tecnologías; los cristales líquidos, por ejemplo, están en el televisor LCD que quizás ya tenga en su hogar o en la pantalla de su computadora portátil.

Una consecuencia de este extraño orden molecular es que hay puntos en todos los cristales líquidos donde las regiones ordenadas chocan entre sí y sus orientaciones no coinciden, creando lo que los científicos llaman "defectos topológicos". Estos puntos se mueven a medida que se mueve el cristal líquido.

Los científicos están intrigados por estos defectos y se preguntan si podrían usarse para transportar información, funciones similares a las que cumplen los electrones en los circuitos de su computadora portátil o teléfono. Pero para poder hacer tecnología a partir de estos defectos, necesitarías ser capaz de conducirlos donde quieras, y se ha demostrado que es muy difícil controlar su comportamiento. "Normalmente, si miras a través de un microscopio un experimento con un cristal líquido activo, verás un caos total:defectos moviéndose por todas partes", dijo de Pablo.

Pero el año pasado, un esfuerzo del laboratorio de de Pablo encabezado por Rui Zhang, entonces un becario postdoctoral en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular, en colaboración con el laboratorio de la Prof. Margaret Gardel de UChicago y el laboratorio del Prof. Zev Bryant de Stanford, descubrió un conjunto de técnicas para controlar estos defectos topológicos. Demostraron que si controlaban dónde ponían energía en el cristal líquido haciendo brillar una luz solo en áreas específicas, podían guiar los defectos para que se movieran en direcciones específicas.

En un nuevo artículo, dieron un paso lógico más allá y determinaron que debería ser teóricamente posible usar estas técnicas para hacer que un cristal líquido realice operaciones como una computadora.

"Estos tienen muchas de las características de los electrones en un circuito:podemos moverlos largas distancias, amplificarlos y cerrar o abrir su transporte como en una puerta de transistor, lo que significa que podríamos usarlos para operaciones relativamente sofisticadas", dijo Zhang, ahora es profesor asistente en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.

Aunque los cálculos sugieren que estos sistemas podrían usarse para cálculos, es más probable que sean especialmente útiles en aplicaciones como el campo de la robótica blanda, dijeron los científicos. Los investigadores están interesados ​​en los robots blandos (robots con cuerpos que no están hechos de metal duro o plástico, sino de materiales blandos y elásticos) porque su flexibilidad y tacto suave significa que pueden realizar funciones que los robots de cuerpo duro no pueden. El equipo puede imaginar la creación de tales robots que puedan hacer algo de su propio "pensamiento" utilizando cristales líquidos activos.

También pueden imaginar el uso de defectos topológicos para transportar pequeñas cantidades de líquido u otros materiales de un lugar a otro dentro de pequeños dispositivos. "Por ejemplo, tal vez uno podría realizar funciones dentro de una célula sintética", dijo Zhang. Es posible que la naturaleza ya utilice mecanismos similares para transmitir información o realizar comportamientos dentro de las células, dijo.

El equipo de investigación, que también incluye al coautor e investigador postdoctoral de UChicago Ali Mozaffari, está trabajando con colaboradores para llevar a cabo experimentos que confirmen los hallazgos teóricos.

"No es frecuente que puedas ver una nueva forma de hacer computación", dijo de Pablo.