Ученые придумали, как заставить жидкие кристаллы запоминать свое движение. Это открывает путь к созданию гибкой электроники, умных материалов и новых типов памяти.

Жидкие кристаллы — основа экранов наших телефонов и телевизоров. Их молекулы ведут себя и как жидкость, и как твердое тело, что дает уникальные свойства. Мягкие материалы вроде гелей и полимеров удобны в производстве и легки, но они недолговечны и легко деформируются.

Обычно молекулы в материале ориентированы хаотично. Но если заставить все молекулы жидких кристаллов смотреть в одну сторону — добиться так называемой полярной упорядоченности — их возможности резко возрастут.

Гибкие материалы пока не могут соперничать с твердотельной электроникой в скорости, надежности или миниатюрности, — говорит Сяогуан Ван, соавтор исследования и доцент химического и биомолекулярного инженеринга в Университете Огайо. — Вопрос в том, как управлять их внутренней структурой, чтобы они стали конкурентными.

В поисках решения исследователи научились программировать движение жидких кристаллов с помощью внешних сил, например, электричества или жидкости. В этом эксперименте роль «пера» сыграла капля воды.

Сначала команда создала на кремниевой пластине решетку из микроскопических столбиков и заполнила промежутки жидкими кристаллами. Сверху нанесли слой воды.

Как стрелка компаса реагирует на магнит, молекулы кристаллов моментально поворачивались, следуя за движением капли. Если провести каплей в новом направлении, ориентация молекул менялась.

Главное открытие: кристаллы не просто поворачивались, а запоминали заданное направление. Это похоже на запись информации.

Система работает как запоминающее устройство, — объясняет Ван. — Она хранит направление, которое мы в нее «вписали».

Исследование опубликовано в издании Nature Physics.

Наделив эти материалы большей полярностью, мы открываем новые уровни применения, — говорит ведущий автор работы Уфуома Кара. — В том числе это увеличение объема знаний, которые можно в них «закодировать».

Сейчас ученые работают над масштабированием метода.

В перспективе жидкие кристаллы могут стать основой для микроскопических процессоров и перепрограммируемых систем хранения данных.

В этом открытии есть нечто очень волнующее, — добавляет Кара. — Это отличная основа, чтобы разжечь любопытство у молодых ученых.

Реальная польза лежит в двух плоскостях: технологической и фундаментальной. Практически это шаг к  «мягкой» электронике: одноразовые медицинские датчики, вплетенные в ткань гибкие дисплеи, логические элементы для роботов-оригами, где жесткая микросхема невозможна. Память на жидких кристаллах могла бы быть радикально дешевой, энергоэффективной и биосовместимой. Фундаментально же мы учимся кодировать информацию не в заряде (как в кремнии), а в ориентации молекул. Это иная парадигма, которая может привести к аналоговым вычислительным системам, работающим с векторными данными (например, для ИИ) более естественно, чем цифровые.

Основной вопрос к исследованию — временная стабильность «памяти» и влияние внешних факторов. В статье не указано, как долго кристаллы сохраняют ориентацию без внешнего управляющего слоя (воды) и при изменении температуры или механических воздействиях. Если „запись“ стирается от легкого нагрева или встряски, о практическом применении в устройствах говорить рано. Кроме того, скорость перезаписи, вероятно, на порядки ниже, чем у флеш-памяти, из-за инерционности физического перемещения капли или перестройки доменов.

Ранее стало известно, что жидкие кристаллы в движении имитируют биологические системы.