Современные вычислительные системы разительно отличаются от того, что именовалось компьютером двадцать и тем более пятьдесят лет тому назад. И вычислительная мощность, и энергоэффективность, и даже габариты современных компьютеров стали несравнимо лучше. Но это не означает, что мир вычислительной техники достиг своего эволюционного апогея. На данный момент существует множество исследований, целью которых является кардинальное изменение компьютеров, а точнее изменение концепции данной технологии (к примеру, квантовые вычисления). Одним из таких направлений является применение жидких кристаллов. Ученые из Чикагского университета (США) в своем новом труде продемонстрировали, как можно использовать жидкие кристаллы для выполнения простых логических операций. Что подразумевается под фразой «жидкие кристаллы», какие именно операции они научились выполнять, как они это делают, и какое будущее ждет эту необычную разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Любая технология, любой процесс или явление имеет свои фундаментальные основы. Говоря о логических операциях, стоит отметить логические вентили* «И», «ИЛИ», являющиеся основой любых вычислений.

Логический вентиль* — базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию, преобразуя таким образом множество входных логических сигналов в выходной логический сигнал.


Условные графические обозначения «И» (слева) и «ИЛИ» (справа) по ГОСТу.

Как отмечают ученые, схемы на основе полупроводников, которые используют электроны для выполнения таких операций, являются краеугольным камнем современной технологии.

За последние несколько десятков лет значительно повысился интерес к мягким роботам и носимой электронике, что подогревается прогрессом в разработке мягких материалов. Однако такие устройства продолжают работать на базе классических электронных устройств. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили поставить вопрос — могут ли активные материалы, такие как биологические нити с моторными белками*, быть реконфигурированы таким образом, чтобы они могли выполнять логические операции и передавать информацию.

Моторный белок* — класс молекулярных моторов, способных перемещаться. Ярким примером моторных белков является кинезин, перемещающийся по микротрубочкам, используя энергию гидролиза АТФ (т.е. аденозинтрифосфата).

Кинезин также стал интернет-знаменитостью, после выше представленного ролика.

Нематические жидкие кристаллы (ЖК) состоят из анизотропных молекул, которые могут течь подобно жидкости, но демонстрируют дальний ориентационный порядок. В областях, где этот ориентационный порядок нарушен, возникают топологические дефекты. Эти дефекты несут топологический заряд и удовлетворяют теореме Пуанкаре-Хопфа*, утверждающей, что общий топологический заряд должен сохраняться.

Теорема Пуанкаре-Хопфа*: на двумерной сфере не существует гладкого векторного поля без особых точек, а на двумерном торе — может существовать.

Существует два типа ЖК:

• термотропный ЖК, который может переходить в нематическую фазу в определенном диапазоне температур;
• лиотропный ЖК, фазы жидких кристаллов которого контролируются как температурой, так и концентрацией растворенного вещества.

Недавние исследования показали, что дефекты в традиционных термотропных ЖК, таких как 4-циано-4'-пентилбифенил (C₁₈H₁₉N; 5CB), служат для секвестрации коллоидных частиц и амфифильных молекул, а потому могут использоваться в качестве молекулярных носителей или нанореакторов.

Лиотропные ЖК также очень любопытны, так как в них локальные напряжения генерируются активным движением его составляющих или компонентов, что может порождать коллективную динамику, т. е. спонтанные течения и самодвижение дефектов. Из-за этого такие жидкие кристаллы называют активными. Примеры активных ЖК включают управляемые моторными белками нематики на основе биополимеров, композиты плавающих бактерий и нетоксичных пассивных ЖК (живые нематики). В частном случае двумерного активного нематика кометоподобные +1/2 дефекты становятся подвижными. Из-за нарушенной продольной симметрии этот тип дефектов может самоперемещаться вдоль своей оси симметрии под действием активных напряжений. Такие подвижные дефекты можно использовать в качестве носителей информации в жидком кристалле.

Ученые считают, что одним из возможных применений топологических дефектов является создание платформы для реализации логических операций. Стоит отметить, что попытки контролировать дефекты и манипулировать ими в активных системах ранее были ограничены из-за проблем, связанных с предотвращением аннигиляции дефектов и использованием многочастичных взаимодействий, возникающих между ними.

Авторы рассматриваемого нами исследования предлагают методику преодолеть эти трудности, опираясь на концепцию паттернов активности или напряжений. Соответствующая экспериментальная система представляет собой 2D нематический ЖК на основе актина. Более конкретно, вместо того, чтобы иметь однородную активность по всему материалу, используются градиенты активности. Система на основе данной концепции демонстрирует с помощью гидродинамического моделирования, что разумное проектирование областей с высокой и низкой активностью в микрожидкостных средах может привести к высокой степени контроля над подвижностью +1/2 дефектов. Основным выводом данного исследования является то, что движение или «прохождение» одного дефекта может быть облегчено или затруднено движением второго дефекта.

Результаты исследования

Моделирование, проведенное в данном труде, было основано на теории Ландау-де Жена. Микроструктура нематического поля, представленная тензорным параметром порядка, а именно Q-тензором, определяется уравнением Бериса-Эдвардса. Дополнительно использовался гибридный решеточный метод Больцмана.

Ученые установили, что выбранный ими метод моделирования обеспечивает точное представление структуры и динамики широкого спектра активных материалов, включая нематики на основе тубулина, нематики на основе актина и живые нематики на основе бактерий.

В рассматриваемых структурированных активных нематиках поле нематика может свободно релаксировать, что приводит к движению топологических дефектов. Активное напряжение моделировалось как дополнительный член напряжения в гидродинамическом уравнении, выражаемый как Π = −⍺Q, где параметр активности ⍺ является пространственно неоднородным. В моделировании рассматривались экстенсивные активные нематики, где ⍺ равно 0 для областей снаружи и более 0 для областей внутри паттерна активности. Этот пространственный паттерн активности является фиксированным.


Изображение №1

Коллективный эффект растягивающих активных напряжений заставляет +1/2 дефект двигаться вперед (1А). Дальнейшая работа была основана на этой особенности.

В первую очередь был рассмотрен случай низкой активности, когда +1/2 дефекты подвижны, но новые дефекты не зарождаются. На изображении выше показано, что локальная активная область может направлять +1/2 дефекта в относительно пассивном нематике в состояние открытой (1A) или закрытой (1B) траектории. +1/2 дефект следует паттерну активности, а не движется горизонтально вдоль своей оси ориентации или симметрии, как это было бы в нематике с однородной активностью (1А). Другими словами, +1/2 дефекты предпочитают оставаться в пределах активной области. Когда активное напряжение пространственно неоднородно, оно может вызвать дополнительную локальную силу, а именно F = −∇⍺·Q, на границах активности. Когда +1/2 дефект приближается к такой границе из более активной области, эта сила служит для его отталкивания и, следовательно, удерживает его в пределах паттерна активности.

Из этих наблюдений следует, что можно разработать паттерны активности, которые изменяют пути +1/2 дефекта (1B и 1C). Бездефектное основное состояние достигается созданием однородного начального поля директора* вдоль диагонального направления по отношению к кресту.

Директор* — пространственное и временное среднее значение ориентации длинной молекулярной оси внутри небольшого элемента объема жидкого кристалла.

Возможны два вырожденных основных состояния, т.е. с директорами нематика на пересечении, соединяющими квадранты I и III, и директорами, соединяющими квадранты II и IV. Ученые предполагают, что внешнее поле (электрическое, магнитное или термическое) может благоприятствовать одному вырожденному состоянию по сравнению с другим. Для простоты обсуждения своего труда ученые приняли решение рассматривать только поле нематика, соединяющее квадранты II и IV (2B и 2C).

Было установлено, что дефект, входящий в поперечное пересечение из нижнего канала, имеет тенденцию перемещаться в правый канал (1C и видео №1), который несет наименьшую упругую энергию после входа дефекта (1D).

Видео №1

Это предпочтение можно изменить, активировав исключительно верхний канал (1B и видео №2). Это конкретное нематическое поле запрещает дефекту проникать в левый канал, поскольку штраф за эластичность при этом был бы большим, если бы +1/2 дефект проскальзывал в него. Логические операции, представленные ниже, основаны на принципе, согласно которому +1/2 дефекты должны следовать паттерну активности.

Видео №2

Дефектами можно манипулировать и в высокоактивных системах, где проявляется активная турбулентность. Первым делом были рассмотрены плоские активно-пассивные границы.


Изображение №2

Было обнаружено, что дефекты отталкиваются границей раздела активности и находятся на активной стороне (2А), что согласуется с результатами моделирования низкой активности. На такой границе активности возникает «эффективное» гомеотропное условие закрепления, когда директор на пассивной стороне принимает перпендикулярную ориентацию. Чтобы более подробно изучить эффект закрепления, ученые также представили результаты для другой геометрии, состоящей из активного нематика, окружающего пассивный круговой паттерн (2B).

По мере развития постоянно искажающего поля директора внутри круглой области время от времени появляются два +1/2 дефекта. Измеренное отношение междефектного расстояния (l) к диаметру окружности (D) составило l/D ≈ 0.6. Это свидетельствует о том, что эффективная сила закрепления равна W ≥ 5 х 10^–7 Н/м.

В другом независимом расчете ученые подогнали угол ориентации плоской границы активности к распределению Больцмана и получили эффективную силу закрепления W = от 5 х 10^–7 до 7 х 10^–7 Н/м (2C), что согласуется с результатом, полученным в круговой геометрии. Эти результаты показывают, что путем формирования паттерна можно создавать мягкие микрожидкостные каналы с гомеотропным закреплением. Возможный физический механизм этого эффективного закрепления можно понять, проанализировав поведение -1/2 дефектов, накопленных на границах активности, с точки зрения их ориентации. Расчет локальной силы, вызванной градиентом активности, показывает, что предпочтение отдается -1/2 дефектам, одна из ветвей которых направлена ​​в пассивную область.


Изображение №3

Далее ученые рассмотрели возможные варианты логических операций, которые можно реализовать с помощью паттернов активности. Первым делом был рассмотрен поперечный канал, показанные на изображении выше. Одиночный +1/2 дефект может проходить через него горизонтально (видео №3), а на 1B уже было показано, что он также может проходить и вертикально.

Видео №3

После горизонтального прохождения +1/2 дефекта поле нематика на пересечении принципиально меняется, и прохождение второго +1/2 дефекта из нижнего канала становится невозможным, если только поле директора в горизонтальных каналах не восстановится до его конфигурации в основном состоянии. +1/2 дефект начинает блуждать по перекрестку и не может войти ни в одну ветвь (изображение выше и видео №4).

Видео №4

Это указывает на то, что можно полагаться на один дефект для управления динамикой или прохождением другого, тем самым облегчая более сложные «дефекторные» вычисления. Стоит отметить, что прохождение первого +1/2 дефекта существенно повысило упругую энергию системы (1D). Тепловые флуктуации не способны уничтожить информацию. Однако внедренный -1/2 дефект может стереть эту информацию и восстановить исходное поле директора. Расчеты показали, что время прохождения -1/2 дефекта на той же горизонтальной полосе активности составляет ∼ 1106 τ, что примерно в восемь раз превышает время прохождения +1/2 дефекта, равное ∼ 140 τ (3A). Это устанавливает шкалу времени, в течение которой система может запомнить прохождение первого +1/2 дефекта. Чтобы защитить эту информацию, нужно «выключать» паттерн сразу после прохождения.

Операции туннелирования и стробирования на основе дефектов, аналогичные тем, которые используются в транзисторах, могут выполняться путем введения асимметричных паттернов. Например, треугольный паттерн активности может зародиться парой дефектов  ±1/2 из в целом однородного нематика.


Изображение №4

Используя эту концепцию, ученые решили создать массив близко расположенных треугольных структур в канале, имеющем начальное вертикальное поле нематика. Активация этих треугольных областей приводит к образованию пар дефектов. Ключевой особенностью здесь является то, что генерируемый -1/2 дефект в каждом треугольном паттерне впоследствии аннигилируется приближающимся +1/2 дефектом, исходящим с его левой стороны. Это приводит к мгновенному «туннелированию» +1/2 дефекта на большое расстояние (4А и видео №5).

Видео №5

Этот процесс напоминает перенос электронов в твердых телах, где электроны движутся коллективно, что приводит к их эффективному переносу на большие расстояния. Тот же треугольный шаблон можно использовать для реализации селекции дефектов. Для этого можно использовать активные области, разделенные пассивной зоной. Обычно подвижный +1/2 дефект в одной активной области не может пересечь пассивную зону и проникнуть в другую активную область. Эту блокировку можно преодолеть, введя высокоактивный треугольный паттерн. Подобно идее туннелирования дефектов, можно «включить» треугольный высокоактивный паттерн в середине пассивной зоны, что приведет к зарождению пары ± 1/2 дефектов (4B и видео №6).

Видео №6

Затем ожидающий +1/2 дефект аннулируется новым -1/2 дефектом, который остается с +1/2 дефектом на другой стороне, который быстро покидает пассивную зону. Однако при отсутствии паттерна активности ожидающий дефект застревает у вентиля (4C, 4D и видео №6).

Стоит обратить внимание и на то, что временной масштаб для этой операции стробирования дефектов (≈ 20 τ) намного короче, чем связанный с активным прохождением дефектов без туннелирования (≈ 100 τ; 4D). Дефекту требуется ∼ 5 τ, чтобы протуннелировать треугольный паттерн, но ему необходимо затратить ∼ 15 τ, чтобы пройти неактивные зоны между паттерном активности и границами вентиля (4D). Поскольку скорость изолированных, саморазвивающихся +1/2 дефектов обычно пропорциональна уровню активности, изменение временных масштабов, т. е. 5 τ против 100 τ, можно понять по соотношению уровней активности в и вне ворот, т. е. ⍺/⍺′ ≈ 20.

Также возможно вызвать механизм «усиления» на основе дефектов, аналогичный тому, который используется в электронных системах, где ток или сигналы усиливаются. Дефекты несут топологический заряд, и их самодвижение также можно рассматривать как зарядовый ток. Чтобы продемонстрировать концепцию усиления дефекта, ученые продемонстрировали два горизонтальных коридора, соединенных вертикальными каналами (5А и видео №7).


Изображение №5

Видео №7

Поверхности демонстрируют гомеотропное закрепление, за исключением верхней поверхности верхнего коридора. Система изначально однородна, но включает +1/2 дефект (показан синими стрелками), который расположен с левой стороны, то есть у входа в нижний коридор. Следуя схеме горизонтальной активности, дефект течет к правому выходу из коридора, в то время как новые +1/2 дефекты появляются из углов канала и перемещаются в верхний коридор, следуя паттернам вертикальной активности. В конце процесса, когда исходный дефект приближается к выходу из нижнего коридора, все три сгенерированных дефекта (отмечены желтыми стрелками) перемещаются в верхний коридор. Новые дефекты покидают углы до того, как первоначальный дефект входит на перекресток. Это подчеркивает тот факт, что взаимодействие между проходящим дефектом и новым дефектом имеет черты упорядочивания дальнего действия.

Важно и то, что в этой системе сохраняется закон сохранения топологического заряда. На 5В показаны два поля директора до и после зарождения +1/2 дефекта из угла. Эффективный топологический заряд поверхностного дефекта в углу составляет +1/4 (-1/4) до (после) зарождения дефекта. Таким образом, изменение топологического заряда в углу приводит к дополнительному заряду +1/2, сохраняя общий топологический заряд системы.

Если полагаться на нематики на основе актина микрометрового размера, то теоретическое усиление, которое может быть достигнуто с помощью устройства сантиметрового масштаба, составит 1 см / (10 х 1 мкм) = O(10³). Однако если в основе экспериментальной системы лежит низкомолекулярный термотропный нематик, например 5CB, характерный размер дефекта которого составляет 7 нм, то теоретическое усиление может достигать 1 см / (10 х 7 нм) = O(10⁵).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые использовали манипулирование дефектами внутри системы на базе жидких кристаллов. Это позволило им создать аналог классических вычислительных схем, позволяющих выполнять определенные логические операции, такие как «И» / «ИЛИ».

С точки зрения теоретических расчетов и экспериментальных результатов подобная система может быть использована как альтернатива традиционным транзисторным системам для выполнения сложных вычислительных задач. Однако сами авторы разработки считают, что их детище будет куда полезнее в мягкой робототехнике. Если гипотетический робот будет сделан из мягкого материала, а не из металла и пластика, то применение жидких кристаллов в качестве вычислительной основы может значительно повысить их функциональность и эффективность.

Еще одним довольно амбициозным вариантом применения вычислений на базе ЖК является клеточная инженерия. По мнению ученых их систему можно использовать для переноса небольшого объема жидкости из одной точки к другой внутри единой клетки, что подразумевает перенос некой информации или выполнения некоего действия. Пока это лишь теории, но в будущем ученые планируют проверить их на практике.

Подобного рода разработки показывают, что даже самые надежные и эффективные классические системы могут быть заменены на нечто новое. Конечно, пока это «новое» еще не достигло уровня исполнительности и эффективности классики, но это лишь вопрос времени.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?