Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago ont montré pour la première fois comment concevoir les éléments de base nécessaires aux opérations logiques à l'aide d'un type de matériau appelé cristal liquide, ouvrant la voie à une manière complètement nouvelle d'effectuer des calculs.

Les résultats, publiés le 23 février dans Science Advances , ne deviendront probablement pas des transistors ou des ordinateurs tout de suite, mais la technique pourrait ouvrir la voie à des appareils dotés de nouvelles fonctions dans les domaines de la détection, de l'informatique et de la robotique.

"Nous avons montré que vous pouvez créer les éléments constitutifs élémentaires d'un circuit - portes, amplificateurs et conducteurs - ce qui signifie que vous devriez être capable de les assembler dans des arrangements capables d'effectuer des opérations plus complexes", a déclaré Juan de Pablo, professeur de la famille Liew à Génie moléculaire et scientifique principal au Laboratoire national d'Argonne, et auteur correspondant principal de l'article. "C'est une étape vraiment passionnante pour le domaine des matériaux actifs."

Les détails dans les défauts

La recherche visait à examiner de plus près un type de matériau appelé cristal liquide. Les molécules d'un cristal liquide ont tendance à être allongées et, lorsqu'elles sont regroupées, elles adoptent une structure qui a un certain ordre, comme les rangées droites d'atomes dans un cristal de diamant, mais au lieu d'être bloquées en place comme dans un solide, cette structure peut se déplacent également comme le fait un liquide. Les scientifiques sont toujours à la recherche de ce genre de bizarreries car ils peuvent utiliser ces propriétés inhabituelles comme base de nouvelles technologies; les cristaux liquides, par exemple, se trouvent dans le téléviseur LCD que vous avez peut-être déjà chez vous ou dans l'écran de votre ordinateur portable.

Une conséquence de cet ordre moléculaire étrange est qu'il y a des points dans tous les cristaux liquides où les régions ordonnées se heurtent les unes aux autres et leurs orientations ne correspondent pas tout à fait, créant ce que les scientifiques appellent des "défauts topologiques". Ces taches se déplacent au fur et à mesure que les cristaux liquides se déplacent.

Les scientifiques sont intrigués par ces défauts, se demandant s'ils pourraient être utilisés pour transporter des informations, similaires aux fonctions que les électrons remplissent dans les circuits de votre ordinateur portable ou de votre téléphone. Mais pour faire de la technologie à partir de ces défauts, vous devez être capable de les guider là où vous le souhaitez, et il s'est avéré très difficile de contrôler leur comportement. "Normalement, si vous regardez à travers un microscope une expérience avec un cristal liquide actif, vous verriez un chaos complet - des défauts se déplaçant partout", a déclaré de Pablo.

Mais l'année dernière, un effort du laboratoire de Pablo dirigé par Rui Zhang, alors chercheur postdoctoral à la Pritzker School of Molecular Engineering, en collaboration avec le laboratoire du professeur Margaret Gardel de UChicago et le laboratoire du professeur Zev Bryant de Stanford, a trouvé un ensemble de techniques pour contrôler ces défauts topologiques. Ils ont montré que s'ils contrôlaient où ils mettaient de l'énergie dans le cristal liquide en éclairant une lumière uniquement sur des zones spécifiques, ils pouvaient guider les défauts pour qu'ils se déplacent dans des directions spécifiques.

Dans un nouvel article, ils sont allés plus loin et ont déterminé qu'il devrait être théoriquement possible d'utiliser ces techniques pour faire en sorte qu'un cristal liquide effectue des opérations comme un ordinateur.

"Ceux-ci ont de nombreuses caractéristiques des électrons dans un circuit - nous pouvons les déplacer sur de longues distances, les amplifier et fermer ou ouvrir leur transport comme dans une grille de transistor, ce qui signifie que nous pourrions les utiliser pour des opérations relativement sophistiquées", a déclaré Zhang, maintenant professeur adjoint à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong.

Bien que les calculs suggèrent que ces systèmes pourraient être utilisés pour les calculs, ils sont plus susceptibles d'être uniquement utiles dans des applications telles que le domaine de la robotique douce, ont déclaré les scientifiques. Les chercheurs s'intéressent aux robots mous - des robots dont le corps n'est pas fait de métal dur ou de plastique, mais plutôt de matériaux extensibles et mous - parce que leur flexibilité et leur toucher doux signifient qu'ils peuvent exécuter des fonctions que les robots au corps dur ne peuvent pas. L'équipe peut imaginer créer de tels robots qui peuvent faire une partie de leur propre "réflexion" en utilisant des cristaux liquides actifs.

Ils peuvent également imaginer utiliser des défauts topologiques pour transporter de petites quantités de liquide ou d'autres matériaux d'un endroit à l'autre à l'intérieur de minuscules appareils. "Par exemple, on pourrait peut-être exécuter des fonctions à l'intérieur d'une cellule synthétique", a déclaré Zhang. Il est possible que la nature utilise déjà des mécanismes similaires pour transmettre des informations ou effectuer des comportements à l'intérieur des cellules, a-t-il déclaré.

L'équipe de recherche, qui comprend également le co-auteur et chercheur postdoctoral UChicago Ali Mozaffari, travaille avec des collaborateurs pour mener des expériences afin de confirmer les résultats théoriques.

"Ce n'est pas souvent que vous êtes en mesure de voir une nouvelle façon de faire de l'informatique", a déclaré de Pablo.