Flüssiger Computer: Erfassung von Ionen in Graphen

Wenn wir Science Fiction lesen oder einen Film eines ähnlichen Genres sehen, stoßen wir oft auf die Computer der Zukunft. Die Autoren dieser Werke haben ihren fiktiven Computern alle möglichen Eigenschaften verliehen, von unvorstellbarer Rechenleistung bis hin zu menschlichen Qualitäten. Was ist es wert, eine völlig menschliche Störung wie Paranoia, die HAL 9000 aus der Reihe von Werken von "Space Odyssey" von Arthur Clark "litt". Heute konzentrieren wir uns jedoch nicht auf die mentalen oder vielmehr rechnerischen Fähigkeiten der Maschinen der Zukunft, sondern auf ihre physische Struktur. Was ist, wenn zukünftige Computer nicht mehr an Silizium gebunden sind, sondern als Flüssigkeiten fungieren können? Dies ist genau das Hauptthema der Studie, das wir heute kennenlernen werden. Lass uns gehen.

Materialbasis

Ein „flüssiger“ Computer, egal wie wild dieser Satz klingt, ist in der Welt der Wissenschaft keine neue Idee. Seit mehreren Jahrzehnten wird geforscht, um auf die eine oder andere Weise eine solche futuristische Technologie zu implementieren. Wissenschaftler des NIST (Nationales Institut für Standards und Technologie) waren keine Ausnahme. Ihre Studie zeigte, dass rechnerische Logikoperationen in einem flüssigen Medium durch kontrolliertes Einfangen von Ionen in in Salzlösung schwimmendem Graphen * durchgeführt werden können .

Graphen * ist ein dünner Film (1 Atom dick) aus Kohlenstoffatomen, der mit einem hexagonalen (Waben) zweidimensionalen Kristallgitter verbunden ist.

Während der Experimente wurde festgestellt, dass der Graphenfilm die Eigenschaften eines Halbleiters auf Siliziumbasis annimmt, dh als Transistor dienen kann. Um den Film zu steuern, müssen Sie die Spannung ändern. Und dieser Prozess ist sehr ähnlich zu dem, was passiert, wenn sich die Salzkonzentration in biologischen Systemen ändert.


Graphenfilm: 29 x 29 cm, Dicke - 35 Mikrometer. Übrigens kostet es ungefähr 65 Dollar pro Stück

Der Fokus lag natürlich auf dem Graphenfilm, dessen Abmessungen bei 6,4 nm nicht mehr als 5,5 betrugen. In seiner Struktur war der Film wie ein unvollendetes Puzzle, denn in der Mitte befanden sich ein oder mehrere „Löcher“ (Poren), genauer gesagt Leerstellen, die von Sauerstoffatomen umgeben waren. Dies ist eine Falle für Ionen. Aus chemischer Sicht ähnelt eine solche atomare Verbindung Kronenethern, die unter anderem dafür bekannt sind, dass sie mit Metallkationen stabile Komplexe bilden. Das heißt, positiv geladene Metallionen "fangen" es.


Molekülstruktur von Kaliumchlorid (KCl)

Das zweite wichtige Element des Experiments war ein flüssiges Medium, dessen Rolle Wasser mit Kaliumchlorid ( KCl ) spielte, das sich in Kalium- und Chlorionen zersetzt.

Kronenester fingen Kaliumionen ein, da letztere eine positive Ladung haben.

Graphen - Flüssigkeit - Spannung

Die Experimente zeigten, dass der Hauptfaktor, der die Leistung der einfachsten logischen Operationen beeinflusst, die Belastung des Graphenfilms ist. Bei einer geringen Konzentration an Kaliumchlorid zeigt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit und der Belegung des Films mit Ionen. Bei geringer Belegung ist die Leitfähigkeit hoch und umgekehrt. Die direkte elektrische Messung des Spannungspegels eines Graphenfilms in diesem Experiment ist eine bestimmte logische Operation - das Lesen.


Grafisches Modell der Aufnahme von Kaliumionen (violett) in von Sauerstoff umgebenen Poren (rot) auf einem Graphenfilm (grau)

Lassen Sie uns nun mit Nullen und Einsen umgehen. Wenn bei einer bestimmten Konzentration von Kaliumchlorid auf dem Film die Spannung niedrig ist (wir bezeichnen sie als "0"), ist der Film selbst praktisch nicht leitend. Mit anderen Worten, es ist aus. In diesem Fall sind die Poren vollständig mit Kaliumionen gefüllt.

Hochspannung (mehr als 300 mV), bezeichnet als "1", erhöht die Leitfähigkeit des Films und versetzt ihn in den Ein-Modus. In diesem Fall sind nicht alle Poren mit Kaliumionen besetzt.

Infolgedessen kann das Eingangs- / Ausgangsverhältnis als logisches NICHT-Gatter betrachtet werden, wenn die Eingangs- und Ausgangswerte umgekehrt werden. Einfach ausgedrückt, 0 tritt ein und 1 tritt aus und umgekehrt.

Wenn zwei Graphenfilme verwendet werden, ist die logische Operation OR (XOR) möglich. In einer solchen Situation ist der Zustandsunterschied zweier Filme, der als Eingabewert bezeichnet wird, nur dann gleich 1, wenn einer der Filme eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Mit anderen Worten, wir erhalten 1, wenn die Eingabe der beiden Filme unterschiedlich ist, und 0, wenn die Daten übereinstimmen.

Die Experimente zeigten auch die Möglichkeit, ein empfindliches Schalten durchzuführen, da selbst bei einer geringfügigen Spannungsänderung die potentielle Ladung des Films stark variiert. Dies führte die Forscher zu der Idee, dass die benutzerdefinierte Ionenerfassung auch zum Speichern von Informationen verwendet werden kann, da empfindliche Transistoren äußerst komplexe Rechenoperationen in nanofluidischen Geräten ausführen können.


Demonstrationsvideo zur Erfassung von Kaliumionen

Der Ioneneinfangprozess ist nicht so unabhängig, wie es scheint. Sie kann eingestellt werden, indem unterschiedliche Spannungen an die Oberfläche des Films angelegt werden.

Es konnte auch herausgefunden werden, dass die Ionen, die in der Pore des Films "stecken", nicht nur das Eindringen anderer Ionen durch den Film blockieren, sondern auch ein elektrisches Feld um den Film erzeugen. Damit das Ion den Film passieren kann, muss die Spannung auf dem Grenzwert liegen. Das elektrische Feld der eingefangenen Ionen erhöht die Spannung um 30 mV, wodurch das Eindringen anderer Ionen vollständig blockiert wird.


Logische Operationen ODER (XOR) und NICHT

Wenn eine Spannung von weniger als 150 mV an den Film angelegt wird, dringen die Ionen nicht mehr durch ihn. Und das elektrische Feld der eingefangenen Ionen verhindert, dass andere Ionen die ersten aus den Kronenethern herausdrücken. Bei einer Spannung von 300 mV beginnt der Film Ionen zu passieren. Je höher die Spannung ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit des Verlusts eingefangener Ionen. Wandernde Ionen beginnen auch, die eingeschlossenen aktiv zu drücken, da das elektrische Feld schwächer ist. Diese Eigenschaften machen den Film zu einem hervorragenden Halbleiter für den Transfer von Kaliumionen.

Nachwort

Das wichtigste physikalische Moment eines möglichen Geräts, das auf dieser Technik basiert, ist seine physikalische Größe, die mehrere Atome nicht überschreiten sollte, und das Vorhandensein elektrischer Leitfähigkeit. Nicht nur Graphen kann die Basis sein, sondern auch andere Materialien. Als Alternative bieten Forscher verschiedene Arten von Metalldichalkogeniden an, da sie wasserabweisende Eigenschaften haben und es leicht ist, daraus poröse Strukturen zu bilden.

Dies ist natürlich Futurismus, aber nicht ohne Argumente in seiner Unterstützung. Solche Studien liefern uns nicht nur Werkzeuge zum Verständnis verschiedener Phänomene, Prozesse oder Substanzen, sondern stellen auch Aufgaben dar, die auf den ersten Blick verrückt und unmöglich zu erfüllen scheinen und deren Umsetzung es uns ermöglicht, die Welt um uns herum zu verbessern.

Wir müssen lange auf „flüssige“ Computer, Server in einem Glas und Flash-Laufwerke in Flaschen warten. Wir bekommen jedoch bereits das Wichtigste für die Zukunft von uns und der Welt insgesamt - Wissen.

Materialien von der NIST-Website wurden verwendet, um den Artikel zu schreiben.

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