Computadora líquida: captura de iones en grafeno

Cuando leemos ciencia ficción o vemos una película de un género similar, a menudo nos encontramos con las computadoras del futuro. Los autores de estos trabajos dotaron a sus computadoras ficticias de todo tipo de propiedades, desde un poder informático inimaginable hasta cualidades humanas. ¿De qué vale un desorden completamente humano como la paranoia, que "sufrió" HAL 9000 de la serie de obras "Space Odyssey" de Arthur Clark. Sin embargo, hoy nos centraremos no en las capacidades mentales, o más bien, computacionales de las máquinas del futuro, sino en su estructura física. ¿Qué pasa si las computadoras futuras ya no están atadas al silicio, sino que pueden funcionar como líquidos? Este es precisamente el tema principal del estudio, que conoceremos hoy. Vamos

Base material

Una computadora "líquida", no importa cuán salvaje suene esta frase, no es una idea nueva en el mundo de la ciencia. Durante varias décadas, la investigación ha estado en marcha, intentando de una forma u otra implementar una tecnología tan futurista. Los científicos del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) no fueron la excepción. Su estudio demostró que las operaciones de lógica computacional se pueden realizar en un medio líquido mediante la captura controlada de iones en grafeno * flotando en solución salina.

El grafeno * es una película delgada (1 átomo de grosor) de átomos de carbono conectada a una red cristalina bidimensional hexagonal (panal).

Durante los experimentos, se notó que la película de grafeno adquiere las propiedades de un semiconductor a base de silicio, es decir, puede servir como transistor. Para controlar la película, debe cambiar el voltaje. Y este proceso es muy similar a lo que sucede cuando cambia la concentración de sales en los sistemas biológicos.


Película de grafeno: 29 x 29 cm, espesor - 35 micras. Por cierto, cuesta alrededor de $ 65 cada uno

El foco, por supuesto, era la película de grafeno, cuyas dimensiones no eran más de 5,5 a 6,4 nm. En su estructura, la película era como un rompecabezas inacabado, porque en el medio había uno o más "agujeros" (poros), más precisamente, vacantes rodeadas de átomos de oxígeno. Esta es una trampa para iones. Desde el punto de vista de la química, dicho compuesto atómico es similar a los éteres corona, que se conocen, entre otras cosas, por el hecho de que forman complejos estables con cationes metálicos. Es decir, los iones metálicos con carga positiva lo "atrapan".


Estructura molecular del cloruro de potasio (KCl)

El segundo elemento importante del experimento fue un medio líquido, cuya función fue desempeñada por el agua con cloruro de potasio ( KCl ), que se descompone en iones de potasio y cloro.

Los ésteres de la corona capturaron iones de potasio, ya que estos últimos tienen una carga positiva.

Grafeno - líquido - voltaje

Los experimentos mostraron que el factor principal que afecta el desempeño de las operaciones lógicas más simples es el estrés que surge en la película de grafeno. A un bajo nivel de concentración de cloruro de potasio, se muestra una relación directa entre la conductividad y la ocupación de la película con iones. Con baja ocupación, el nivel de conductividad es alto y viceversa. La medición eléctrica directa del nivel de voltaje de una película de grafeno en este experimento es una cierta operación lógica: la lectura.


Modelo gráfico de la captura de iones de potasio (violeta) en poros rodeados de oxígeno (rojo) en una película de grafeno (gris)

Ahora tratemos con ceros y unos. Si a una cierta concentración de cloruro de potasio en la película el voltaje es bajo (lo designamos como "0"), entonces la película en sí es prácticamente no conductora. En otras palabras, está apagado. En este caso, los poros están completamente llenos de iones de potasio.

El alto voltaje (más de 300 mV), denotado como "1", aumenta la conductividad de la película y la pone en modo encendido. En este caso, no todos los poros están ocupados por iones de potasio.

Como resultado, la relación entrada / salida puede considerarse como una puerta NO lógica, cuando los valores de entrada y salida se invierten. En pocas palabras, 0 entra y 1 sale, y viceversa.

Si se usan dos películas de grafeno, entonces es posible la operación lógica OR (XOR). En tal situación, la diferencia en el estado de dos películas, llamada valor de entrada, será igual a 1 solo si una de las películas tiene alta conductividad. En otras palabras, obtenemos 1 si la entrada de las dos películas es diferente y 0 si los datos coinciden.

Los experimentos también mostraron la posibilidad de implementar una conmutación sensible, ya que incluso con un ligero cambio en el voltaje, la carga potencial de la película varía mucho. Esto llevó a los investigadores a la idea de que la captura de iones personalizada también se puede utilizar para almacenar información, ya que los transistores sensibles pueden realizar operaciones computacionales extremadamente complejas en dispositivos nanofluídicos.


Video demostrativo de la captura de iones de potasio

El proceso de captura de iones no es tan independiente como podría parecer. Se puede ajustar aplicando diferentes voltajes a través de la superficie de la película.

También fue posible descubrir que los iones "atrapados" en el poro de la película no solo bloquean la penetración de otros iones a través de la película, sino que también crean un campo eléctrico alrededor de la película. Para que el ion pase a través de la película, el voltaje debe estar en el nivel límite. El campo eléctrico de los iones capturados aumenta el voltaje en 30 mV, lo que bloquea completamente la penetración de otros iones.


Operaciones lógicas OR (XOR) y NOT

Si se aplica un voltaje de menos de 150 mV a la película, los iones ya no penetrarán a través de ella. Y el campo eléctrico de los iones capturados evita que otros iones empujen al primero fuera de los éteres de la corona. A un voltaje de 300 mV, la película comienza a pasar iones. Cuanto mayor es el voltaje, mayor es la probabilidad de pérdida de iones atrapados. Los iones errantes también comienzan a empujar activamente a los atrapados, porque el campo eléctrico es más débil. Estas propiedades hacen que la película sea un excelente semiconductor para la transferencia de iones de potasio.

Epílogo

El momento físico más importante de un posible dispositivo basado en esta técnica es su tamaño físico, que no debe exceder varios átomos, y la presencia de conductividad eléctrica. No solo el grafeno puede ser la base, sino también otros materiales. Como alternativa, los investigadores ofrecen varios tipos de dichoslcogenuros metálicos, ya que tienen propiedades repelentes al agua y es fácil formar estructuras porosas a partir de ellos.

Por supuesto, esto es futurismo, pero no sin argumentos en su apoyo. Dichos estudios no solo nos brindan herramientas para comprender diversos fenómenos, procesos o sustancias, sino que también plantean tareas que parecen locas e imposibles de cumplir a primera vista, cuya implementación nos permite mejorar el mundo que nos rodea.

Durante mucho tiempo tendremos que esperar a computadoras "líquidas", servidores en un vaso y unidades flash en frascos. Sin embargo, ya estamos obteniendo lo más importante para el futuro de nosotros y del mundo en general: el conocimiento.

Se usaron materiales del sitio web del NIST para escribir el artículo.

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