Forschende der McMaster University und der Universität Pittsburgh haben erfolgreich das erste voll funktionsfähige NAND-Gatter in einem weichen Material mithilfe von sichtbarem Licht erzeugt. Diese in *Nature Communications* veröffentlichte Errungenschaft stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der computergestützten Materialwissenschaft dar. In diesem Bereich können Materialien Informationen ohne herkömmliche elektronische Schaltungen verarbeiten. Erstautorin Fariha Mahmoud, Studentin an der McMaster University und seit vielen Jahren Gelforscherin, erklärte: „Materialien bei logischen Operationen zu beobachten, ist, als würde man ihnen beim ‚Denken‘ zusehen. Dies eröffnet die Möglichkeit autonomer Entscheidungsfindung in weichen Systemen.“

Das Forschungsteam demonstrierte, dass die Beleuchtung eines speziell entwickelten Gels mit drei selbstbündelnden Lichtstrahlen NAND-Gatter-Logikoperationen ermöglicht. Da sich alle digitalen Logikgatter aus NAND-Gattern aufbauen lassen, etabliert diese Errungenschaft flexible, lichtempfindliche Materialien als Plattformen für den Aufbau autonomer Computersysteme. Diese Arbeit baut auf früheren theoretischen und computergestützten Forschungen von Balazs et al. auf, die das Konzept reaktionsfähiger Materialien wie oszillierender chemischer Gele als Sensor-, Kommunikations- und Rechennetzwerke vorschlugen.

Das Kernmaterial dieses Durchbruchs ist ein mit Cyaninfarbstoff funktionalisiertes Hydrogel, das unter Lichteinwirkung schrumpft. Trifft ein Laserstrahl auf das Gel, erhöht die lokale Schrumpfung den Brechungsindex, wodurch der Strahl quasi „eingefangen“ wird. Frühere Untersuchungen zeigten, dass zwei Lichtstrahlen innerhalb desselben Gels miteinander konkurrieren und das Verhalten mit zunehmender Anzahl an Strahlen komplexer wird. Mahmood erklärte: „Mit drei Strahlen wurde ein stabiles Interaktionsmuster beobachtet, wobei der mittlere Strahl am schwächsten war. Diese zuverlässige Eigenschaft ermöglicht es uns, logische Operationen auf weiche Materialien abzubilden.“ Sarawanamutu betonte, dass sich Computerlogik durch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials selbst realisieren lässt, was einen völlig neuen Ansatz für das Verständnis von Materialfunktionalität darstellt.

Dieses System kann zwar hinsichtlich Geschwindigkeit und Datendichte nicht mit Halbleiterprozessoren mithalten, hat aber weitreichende Implikationen für Bereiche wie die Softrobotik und selbstregulierende Medizinprodukte. Die Forschung etabliert zudem ein Framework, das es ermöglicht, mehrere logische Operationen gleichzeitig innerhalb derselben Gelprobe durchzuführen, zu verknüpfen, zu kombinieren oder zu kaskadieren – ganz ohne Verdrahtung.

Weitere Informationen: Fariha Mahmood et al., „Functionally Complete Logic Gates in Soft Photoresponsive Hydrogels“, *Nature Communications* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Communications*, *Science Advances*