الكمبيوتر السائل: التقاط أيونات في الجرافين

عندما نقرأ الخيال العلمي أو نشاهد فيلمًا من نفس النوع ، غالبًا ما نواجه أجهزة كمبيوتر المستقبل. لقد منح مؤلفو هذه الأعمال أجهزة الكمبيوتر الخيالية الخاصة بهم بجميع أنواع الخصائص ، من قوة الحوسبة التي لا يمكن تصورها إلى الصفات البشرية. ما يستحق اضطرابًا بشريًا تمامًا مثل جنون العظمة ، والذي "عانى" HAL 9000 من سلسلة أعمال "Space Odyssey" التي كتبها آرثر كلارك. ومع ذلك ، سنركز اليوم ليس على القدرات العقلية ، أو بالأحرى ، الحسابية لآلات المستقبل ، ولكن على بنيتها المادية. ماذا لو لم تعد أجهزة الكمبيوتر المستقبلية مرتبطة بالسيليكون ، ولكنها يمكن أن تعمل كسوائل؟ هذه هي بالتحديد القضية الرئيسية للدراسة ، والتي سنتعرف عليها اليوم. دعنا نذهب.

قاعدة مادية

الكمبيوتر "السائل" ، بغض النظر عن مدى صحة هذه العبارة ، ليس فكرة جديدة في عالم العلوم. لعدة عقود ، كانت الأبحاث جارية ، تحاول بطريقة أو بأخرى تطبيق مثل هذه التكنولوجيا المستقبلية. العلماء من NIST (المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا) ليست استثناء. أوضحت دراستهم أن العمليات المنطقية الحسابية يمكن إجراؤها في وسط سائل عن طريق التقاط أيونات مضبوطة في الجرافين * تطفو في محلول ملحي.

الجرافين * عبارة عن طبقة رقيقة (بسُمك ذرة واحدة) من ذرات الكربون متصلة بشبكة بلورية ثنائية الأبعاد (قرص العسل).

خلال التجارب ، لوحظ أن فيلم الجرافين يكتسب خصائص أشباه الموصلات التي تعتمد على السيليكون ، أي أنه يمكن أن يعمل كترانزستور. للسيطرة على الفيلم ، يجب تغيير الجهد. وهذه العملية تشبه إلى حد كبير ما يحدث عندما يتغير تركيز الأملاح في الأنظمة البيولوجية.


فيلم الجرافين: 29 × 29 سم ، سمك - 35 ميكرون. بالمناسبة ، يكلف حوالي 65 دولارًا لكل منهما

كان التركيز بالطبع على فيلم الجرافين ، الذي لم تتجاوز أبعاده 5.5 عند 6.4 نانومتر. في هيكله ، كان الفيلم بمثابة لغز غير منتهي ، لأنه في وسطه كان هناك "ثقب" واحد أو أكثر (المسام) ، وبشكل أدق ، الشواغر التي تحيط بها ذرات الأكسجين. هذا فخ للأيونات. من وجهة نظر الكيمياء ، يشبه هذا المركب الذري إثيرات التاج ، والتي تعرف ، من بين أمور أخرى ، بحقيقة أنها تشكل مجمعات مستقرة مع الكاتيونات المعدنية. أي أن الأيونات المعدنية المشحونة إيجابياً "تمسك" بها.


التركيب الجزيئي لكلوريد البوتاسيوم (KCl)

كان العنصر الثاني المهم في التجربة هو الوسط السائل ، الذي لعب دوره بواسطة الماء مع كلوريد البوتاسيوم ( KCl ) ، والذي يتحلل إلى أيونات البوتاسيوم والكلور.

اشتعلت استرات التاج من أيونات البوتاسيوم ، لأن الأخيرة لها شحنة موجبة.

الجرافين - السائل - الجهد

أظهرت التجارب أن العامل الأساسي الذي يؤثر على أداء أبسط العمليات المنطقية هو الضغط الناشئ على فيلم الجرافين. عند مستوى منخفض من تركيز كلوريد البوتاسيوم ، تظهر علاقة مباشرة بين الموصلية وشغل الفيلم بالأيونات. مع انخفاض الإشغال ، يكون مستوى الموصلية مرتفعًا والعكس صحيح. القياس الكهربائي المباشر لمستوى الجهد لفيلم الجرافين في هذه التجربة هو عملية منطقية معينة - القراءة.


نموذج رسومي لالتقاط أيونات البوتاسيوم (البنفسجي) في المسام محاطة بالأكسجين (الأحمر) على فيلم الجرافين (الرمادي)

الآن دعونا نتعامل مع الأصفار والآخرين. إذا كان الجهد عند تركيز معين من كلوريد البوتاسيوم على الفيلم منخفضًا (نطلق عليه "0") ، فإن الفيلم نفسه غير موصل عمليًا. وبعبارة أخرى ، تم إيقاف تشغيله. في هذه الحالة ، يتم ملء المسام بالكامل بأيونات البوتاسيوم.

الجهد العالي (أكثر من 300 مللي فولت) ، المشار إليه بـ "1" ، يزيد من موصلية الفيلم ، ويضعه في وضع التشغيل. في هذه الحالة ، ليست كل المسام مشغولة بأيونات البوتاسيوم.

ونتيجة لذلك ، يمكن اعتبار نسبة الإدخال / الإخراج بمثابة بوابة NOT منطقية ، عندما يتم عكس قيم الإدخال والإخراج. ببساطة ، يدخل 0 ويخرج 1 ، والعكس صحيح.

إذا تم استخدام فيلمين من الجرافين ، فإن العملية المنطقية OR (XOR) ممكنة. في مثل هذه الحالة ، فإن الفرق في حالة فيلمين ، يسمى قيمة الإدخال ، سيكون مساوياً لـ 1 فقط إذا كان أحد الأفلام ذا موصلية عالية. بمعنى آخر ، نحصل على 1 إذا كان الإدخال من الفيلمين مختلفًا ، و 0 إذا كانت البيانات متطابقة.

أظهرت التجارب أيضًا إمكانية تنفيذ التبديل الحساس ، لأنه حتى مع تغيير طفيف في الجهد ، تختلف الشحنة المحتملة للفيلم بشكل كبير. أدى هذا بالباحثين إلى فكرة أن التقاط أيون مخصص يمكن استخدامه أيضًا لتخزين المعلومات ، حيث يمكن للترانزستورات الحساسة إجراء عمليات حسابية معقدة للغاية في أجهزة الموائع النانوية.


فيديو توضيحي لالتقاط أيونات البوتاسيوم

عملية التقاط الأيونات ليست مستقلة كما قد تبدو. يمكن تعديله من خلال تطبيق الفولتية المختلفة عبر سطح الفيلم.

كان من الممكن أيضًا معرفة أن الأيونات "العالقة" في مسام الفيلم لا تمنع فقط اختراق أيونات أخرى من خلال الفيلم ، ولكن أيضًا تخلق مجالًا كهربائيًا حول الفيلم. لكي يمر أيون من خلال الفيلم ، يجب أن يكون الجهد عند مستوى الحد. يعمل المجال الكهربائي للأيونات الملتقطة على زيادة الجهد بمقدار 30 مللي فولت ، مما يمنع اختراق أيونات أخرى تمامًا.


العمليات المنطقية أو (XOR) و NOT

إذا تم تطبيق جهد أقل من 150 mV على الفيلم ، فلن تخترق الأيونات من خلاله. ويمنع المجال الكهربائي للأيونات التي تم التقاطها الأيونات الأخرى من دفع الأول للخروج من إيثرات التاج. عند جهد 300 mV ، يبدأ الفيلم في تمرير الأيونات. كلما زاد الجهد ، زاد احتمال فقدان الأيونات المحتبسة. تبدأ الأيونات المتجولة أيضًا في دفع المحاصرين بنشاط ، لأن المجال الكهربائي أضعف. هذه الخصائص تجعل الفيلم أشباه الموصلات الممتازة لنقل أيونات البوتاسيوم.

الخاتمة

إن أهم لحظة مادية للجهاز المحتمل بناءً على هذه التقنية هي حجمه المادي ، الذي يجب ألا يتجاوز عدة ذرات ، ووجود الموصلية الكهربائية. ليس فقط الجرافين يمكن أن يكون الأساس ، ولكن أيضًا مواد أخرى. كبديل ، يقدم الباحثون أنواعًا مختلفة من ثنائيات الكالسيوم المعدنية ، لأنها تتميز بخصائص مقاومة للماء ومن السهل تشكيل هياكل مسامية منها.

بالطبع ، هذه مستقبلية ، ولكن ليس بدون الحجج في دعمها. لا تزودنا هذه الدراسات بالأدوات اللازمة لفهم مختلف الظواهر أو العمليات أو المواد فحسب ، بل تشكل أيضًا مهام تبدو مجنونة ومستحيلة التحقيق للوهلة الأولى ، ويسمح تنفيذها بتحسين العالم من حولنا.

لفترة طويلة سيتعين علينا انتظار أجهزة الكمبيوتر "السائلة" والخوادم في الزجاج ومحركات أقراص فلاش في قوارير. ومع ذلك ، فإننا نحصل بالفعل على أهم شيء لمستقبلنا وللعالم ككل - المعرفة.

تم استخدام مواد من موقع نيست لكتابة المقال.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟