Ordinateur liquide: capture d'ions dans le graphène

Lorsque nous lisons de la science-fiction ou regardons un film d'un genre similaire, nous rencontrons souvent les ordinateurs du futur. Les auteurs de ces œuvres ont doté leurs ordinateurs fictifs de toutes sortes de propriétés, d'une puissance de calcul inimaginable aux qualités humaines. Qu'est-ce que ça vaut un désordre complètement humain comme la paranoïa, qui a "souffert" HAL 9000 de la série d'œuvres de "Space Odyssey" d'Arthur Clark. Cependant, aujourd'hui, nous ne nous concentrerons pas sur les capacités mentales ou plutôt informatiques des machines du futur, mais sur leur structure physique. Et si les futurs ordinateurs ne sont plus liés au silicium, mais peuvent fonctionner comme des liquides? C'est précisément le principal problème de l'étude, que nous apprendrons aujourd'hui. Allons-y.

Base matérielle

Un ordinateur «liquide», aussi sauvage que puisse paraître cette phrase, n'est pas une idée nouvelle dans le monde de la science. Depuis plusieurs décennies, des recherches sont en cours, tentant d'une manière ou d'une autre de mettre en œuvre une telle technologie futuriste. Les scientifiques du NIST (Institut national des normes et de la technologie) ne faisaient pas exception. Leur étude a démontré que les opérations de logique de calcul peuvent être effectuées dans un milieu liquide par capture contrôlée d'ions dans du graphène * flottant dans une solution saline.

Le graphène * est un film mince (1 atome d'épaisseur) d'atomes de carbone relié à un réseau cristallin bidimensionnel hexagonal (nid d'abeille).

Au cours des expériences, il a été remarqué que le film de graphène acquiert les propriétés d'un semi-conducteur à base de silicium, c'est-à-dire qu'il peut servir de transistor. Pour contrôler le film, vous devez changer la tension. Et ce processus est très similaire à ce qui se passe lorsque la concentration de sels dans les systèmes biologiques change.


Film graphène: 29 x 29 cm, épaisseur - 35 microns. Au fait, cela coûte environ 65 $ pièce

Le foyer était bien sûr le film de graphène, dont les dimensions n'étaient pas plus de 5,5 à 6,4 nm. Dans sa structure, le film était comme un puzzle inachevé, car au milieu il y avait un ou plusieurs «trous» (pores), plus précisément, des lacunes entourées d'atomes d'oxygène. Ceci est un piège pour les ions. Du point de vue de la chimie, un tel composé atomique est similaire aux éthers couronnes, qui sont connus, entre autres, pour le fait qu'ils forment des complexes stables avec des cations métalliques. C'est-à-dire que les ions métalliques chargés positivement «l'attrapent».


Structure moléculaire du chlorure de potassium (KCl)

Le deuxième élément important de l'expérience était un milieu liquide, dont le rôle était joué par l'eau avec du chlorure de potassium ( KCl ), qui se décompose en ions potassium et chlore.

Les esters de la Couronne ont capturé des ions potassium, car ces derniers ont une charge positive.

Graphène - liquide - tension

Les expériences ont montré que le principal facteur affectant les performances des opérations logiques les plus simples est la contrainte sur le film de graphène. À un faible niveau de concentration de chlorure de potassium, une relation directe est montrée entre la conductivité et l'occupation du film avec des ions. Avec une faible occupation, le niveau de conductivité est élevé et vice versa. La mesure électrique directe du niveau de tension d'un film de graphène dans cette expérience est une certaine opération logique - la lecture.


Modèle graphique de la capture des ions potassium (violet) dans les pores entourés d'oxygène (rouge) sur un film de graphène (gris)

Voyons maintenant les zéros et les uns. Si, à une certaine concentration de chlorure de potassium sur le film, la tension est faible (nous l'appelons «0»), alors le film lui-même est pratiquement non conducteur. En d'autres termes, il est éteint. Dans ce cas, les pores sont complètement remplis d'ions potassium.

La haute tension (plus de 300 mV), notée "1", augmente la conductivité du film, le mettant en mode marche. Dans ce cas, tous les pores ne sont pas occupés par des ions potassium.

Par conséquent, le rapport entrée / sortie peut être considéré comme une porte logique NON, lorsque les valeurs d'entrée et de sortie sont inversées. Autrement dit, 0 entre et 1 sort, et vice versa.

Si deux films de graphène sont utilisés, alors l'opération logique OR (XOR) est possible. Dans une telle situation, la différence d'état de deux films, appelée valeur d'entrée, ne sera égale à 1 que si l'un des films a une conductivité élevée. En d'autres termes, nous obtenons 1 si l'entrée des deux films est différente et 0 si les données correspondent.

Les expériences ont également montré la possibilité de mettre en œuvre une commutation sensible, car même avec un léger changement de tension, la charge potentielle du film varie considérablement. Cela a conduit les chercheurs à l'idée que la capture d'ions personnalisée peut également être utilisée pour stocker des informations, car les transistors sensibles peuvent effectuer des opérations de calcul extrêmement complexes dans des dispositifs nanofluidiques.


Vidéo de démonstration de la capture des ions potassium

Le processus de capture des ions n'est pas aussi indépendant qu'il y paraît. Il peut être ajusté en appliquant différentes tensions sur la surface du film.

Il a également été possible de découvrir que les ions «coincés» dans les pores du film bloquent non seulement la pénétration d'autres ions à travers le film, mais créent également un champ électrique autour du film. Pour que l'ion passe à travers le film, la tension doit être au niveau limite. Le champ électrique des ions capturés augmente la tension de 30 mV, ce qui bloque complètement la pénétration des autres ions.


Opérations logiques OR (XOR) et NOT

Si une tension inférieure à 150 mV est appliquée au film, les ions n'y pénétreront plus. Et le champ électrique des ions capturés empêche les autres ions de pousser le premier hors des éthers couronnes. À une tension de 300 mV, le film commence à passer des ions. Plus la tension est élevée, plus la probabilité de perte d'ions piégés est grande. Les ions errants commencent également à pousser activement les piégés, car le champ électrique est plus faible. Ces propriétés font du film un excellent semi-conducteur pour le transfert des ions potassium.

Épilogue

Le moment physique le plus important d'un dispositif possible basé sur cette technique est sa taille physique, qui ne doit pas dépasser plusieurs atomes, et la présence de conductivité électrique. Non seulement le graphène peut être la base, mais aussi d'autres matériaux. Comme alternative, les chercheurs proposent différents types de dichalcogénures métalliques, car ils ont des propriétés hydrofuges et il est facile d'en former des structures poreuses.

Bien sûr, c'est du futurisme, mais non sans arguments à l'appui. De telles études nous fournissent non seulement des outils pour comprendre divers phénomènes, processus ou substances, mais elles posent également des tâches qui semblent folles et impossibles à réaliser à première vue, dont la mise en œuvre nous permet d'améliorer le monde qui nous entoure.

Pendant longtemps, nous devrons attendre des ordinateurs «liquides», des serveurs dans un verre et des lecteurs flash dans des flacons. Cependant, nous obtenons déjà la chose la plus importante pour l'avenir de nous et du monde dans son ensemble - la connaissance.

Des documents du site Web du NIST ont été utilisés pour rédiger l'article.

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