Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago mostraram pela primeira vez como projetar os elementos básicos necessários para operações lógicas usando um tipo de material chamado cristal líquido – abrindo caminho para uma maneira completamente nova de realizar cálculos.
Os resultados, publicados em 23 de fevereiro na revista Science Advances , provavelmente não se tornarão transistores ou computadores imediatamente, mas a técnica pode apontar o caminho para dispositivos com novas funções em sensoriamento, computação e robótica.

"Mostramos que você pode criar os blocos de construção elementares de um circuito - portas, amplificadores e condutores - o que significa que você deve ser capaz de montá-los em arranjos capazes de realizar operações mais complexas", disse Juan de Pablo, professor da Liew Family em Engenharia Molecular e cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne, e autor correspondente sênior do artigo. "É um passo realmente empolgante para o campo de materiais ativos."

Os detalhes dos defeitos

A pesquisa teve como objetivo olhar mais de perto um tipo de material chamado cristal líquido. As moléculas em um cristal líquido tendem a ser alongadas e, quando agrupadas, adotam uma estrutura que tem alguma ordem, como as fileiras retas de átomos em um cristal de diamante - mas, em vez de ficar presa no lugar como em um sólido, essa estrutura pode também se deslocam como um líquido. Os cientistas estão sempre procurando por esses tipos de esquisitices porque podem utilizar essas propriedades incomuns como base de novas tecnologias; cristais líquidos, por exemplo, estão na TV LCD que você já pode ter em sua casa ou na tela do seu laptop.

Uma consequência dessa estranha ordem molecular é que há pontos em todos os cristais líquidos onde as regiões ordenadas colidem umas com as outras e suas orientações não coincidem, criando o que os cientistas chamam de "defeitos topológicos". Esses pontos se movem à medida que o cristal líquido se move.

Os cientistas estão intrigados com esses defeitos, imaginando se eles poderiam ser usados ​​para transportar informações – semelhantes às funções que os elétrons desempenham nos circuitos do seu laptop ou telefone. Mas, para transformar esses defeitos em tecnologia, você precisa ser capaz de conduzi-los onde quiser, e é muito difícil controlar seu comportamento. “Normalmente, se você olhar através de um microscópio em um experimento com um cristal líquido ativo, verá o caos completo – defeitos mudando por todo o lugar”, disse de Pablo.

Mas no ano passado, um esforço do laboratório de Pablo liderado por Rui Zhang, então um bolsista de pós-doutorado na Pritzker School of Molecular Engineering, em colaboração com o laboratório do Prof. Margaret Gardel da UChicago e o laboratório do Prof. de técnicas para controlar esses defeitos topológicos. Eles mostraram que, se controlassem onde colocaram energia no cristal líquido, iluminando apenas áreas específicas, poderiam orientar os defeitos a se moverem em direções específicas.

Em um novo artigo, eles deram um passo lógico adiante e determinaram que deveria ser teoricamente possível usar essas técnicas para fazer um cristal líquido realizar operações como um computador.

“Eles têm muitas das características dos elétrons em um circuito – podemos movê-los por longas distâncias, amplificá-los e fechar ou abrir seu transporte como em uma porta de transistor, o que significa que podemos usá-los para operações relativamente sofisticadas”, disse Zhang, agora professor assistente na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong.

Embora os cálculos sugiram que esses sistemas possam ser usados ​​para cálculos, eles são mais propensos a serem exclusivamente úteis em aplicações como o campo da robótica leve, disseram os cientistas. Os pesquisadores estão interessados ​​em robôs macios – robôs com corpos que não são feitos de metal duro ou plástico, mas sim de materiais elásticos e macios – porque sua flexibilidade e toque suave significam que eles podem executar funções que os robôs de corpo duro não podem. A equipe pode imaginar a criação desses robôs que podem fazer alguns de seus próprios "pensamentos" usando cristais líquidos ativos.

Eles também podem imaginar o uso de defeitos topológicos para transportar pequenas quantidades de líquido ou outros materiais de um lugar para outro dentro de pequenos dispositivos. "Por exemplo, talvez se possa realizar funções dentro de uma célula sintética", disse Zhang. É possível que a natureza já use mecanismos semelhantes para transmitir informações ou realizar comportamentos dentro das células, disse ele.

A equipe de pesquisa, que também inclui o co-autor e pesquisador de pós-doutorado da UChicago, Ali Mozaffari, está trabalhando com colaboradores para realizar experimentos para confirmar as descobertas teóricas.

"Não é sempre que você consegue ver uma nova maneira de fazer computação", disse de Pablo.