तरल कंप्यूटर: ग्राफीन में आयनों का कब्जा

जब हम विज्ञान कथा पढ़ते हैं या एक समान शैली की फिल्म देखते हैं, तो हम अक्सर भविष्य के कंप्यूटर पर आते हैं। इन कार्यों के लेखकों ने अपने काल्पनिक कंप्यूटरों को सभी प्रकार के गुणों के साथ अकल्पनीय कंप्यूटिंग शक्ति से मानव गुणों तक संपन्न किया। यह व्यामोह जैसे पूरी तरह से मानव विकार के लायक है, जिसे आर्थर क्लार्क द्वारा "स्पेस ओडिसी" के कार्यों की श्रृंखला से "एचएएल 9000" का सामना करना पड़ा। हालांकि, आज हम भविष्य की मशीनों की मानसिक, या बल्कि कम्प्यूटेशनल क्षमताओं पर नहीं, बल्कि उनकी शारीरिक संरचना पर ध्यान केंद्रित करेंगे। क्या होगा अगर भविष्य के कंप्यूटर अब सिलिकॉन से बंधे नहीं हैं, लेकिन तरल के रूप में कार्य कर सकते हैं? यह अध्ययन का मुख्य मुद्दा है, जिसे आज हम जानेंगे। चलो चलते हैं।

सामग्री का आधार

एक "तरल" कंप्यूटर, चाहे यह वाक्यांश कितना भी जंगली लगता हो, विज्ञान की दुनिया में एक नया विचार नहीं है। कई दशकों से, इस तरह की फ्यूचरिस्टिक तकनीक को लागू करने के लिए एक या दूसरे तरीके से कोशिश की जा रही है। एनआईएसटी (नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी) के वैज्ञानिक कोई अपवाद नहीं थे। उनके अध्ययन से पता चला है कि कम्प्यूटेशनल लॉजिक ऑपरेशन्स को तरल माध्यम में ग्राफीन में आयनों के नियंत्रित कब्जे से किया जा सकता है।

ग्राफीन * एक हेक्सागोनल (मधुकोश) दो आयामी क्रिस्टल जाली से जुड़ी कार्बन परमाणुओं की एक पतली फिल्म (1 परमाणु मोटी) है।

प्रयोगों के दौरान, यह देखा गया कि ग्राफीन फिल्म सिलिकॉन-आधारित अर्धचालक के गुणों को प्राप्त करती है, अर्थात यह एक ट्रांजिस्टर के रूप में काम कर सकती है। फिल्म को नियंत्रित करने के लिए, आपको वोल्टेज को बदलना होगा। और यह प्रक्रिया बहुत कुछ वैसी ही होती है जब जैविक प्रणालियों में लवण की सांद्रता बदलती है।


ग्राफीन फिल्म: 29 x 29 सेमी, मोटाई - 35 माइक्रोन। वैसे, इसकी कीमत लगभग 65 डॉलर है

पाठ्यक्रम का फोकस ग्राफीन फिल्म था, जिसके आयाम 6.4 एनएम पर 5.5 से अधिक नहीं थे। इसकी संरचना में, फिल्म एक अधूरी पहेली की तरह थी, क्योंकि इसके बीच में एक या एक से अधिक "छेद" (छिद्र) थे, अधिक सटीक रूप से, ऑक्सीजन परमाणुओं से घिरे रिक्त स्थान। यह आयनों के लिए एक जाल है। रसायन विज्ञान की दृष्टि से, इस तरह के एक परमाणु यौगिक मुकुट के पंखों के समान होते हैं, जिन्हें अन्य बातों के अलावा, इस तथ्य के लिए जाना जाता है कि वे धातु के पिंजरों के साथ स्थिर परिसरों का निर्माण करते हैं। यही कारण है, सकारात्मक रूप से चार्ज धातु आयनों "इसे" पकड़ते हैं।


पोटेशियम क्लोराइड की आणविक संरचना (KCl)

प्रयोग का दूसरा महत्वपूर्ण तत्व एक तरल माध्यम था, जिसकी भूमिका पोटेशियम क्लोराइड ( KCl ) के साथ पानी द्वारा निभाई गई थी, जो पोटेशियम और क्लोरीन आयनों में विघटित होती है।

क्राउन एस्टर ने पोटेशियम आयनों को पकड़ा, क्योंकि उत्तरार्द्ध में सकारात्मक चार्ज होता है।

ग्राफीन - तरल - वोल्टेज

प्रयोगों से पता चला कि सबसे सरल तार्किक संचालन के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला मुख्य कारक ग्राफीन फिल्म पर उत्पन्न होने वाला तनाव है। पोटेशियम क्लोराइड की एकाग्रता के निम्न स्तर पर, आयनों के साथ चालकता और फिल्म की कब्जे के बीच एक सीधा संबंध दिखाया गया है। कम अधिभोग के साथ, चालकता का स्तर उच्च है, और इसके विपरीत। इस प्रयोग में एक ग्राफीन फिल्म के वोल्टेज स्तर का प्रत्यक्ष विद्युत माप एक निश्चित तार्किक ऑपरेशन है - पढ़ना।


ग्रेफीन फिल्म (ग्रे) पर ऑक्सीजन (लाल) से घिरे छिद्रों में पोटेशियम आयन (वायलेट) को पकड़ने का ग्राफिकल मॉडल

अब शून्य और लोगों के साथ सौदा करते हैं। यदि फिल्म पर पोटेशियम क्लोराइड की एक निश्चित एकाग्रता में वोल्टेज कम है (हम इसे "0" के रूप में नामित करते हैं), तो फिल्म स्वयं व्यावहारिक रूप से गैर-प्रवाहकीय है। दूसरे शब्दों में, यह बंद है। इस मामले में, पोर्स पूरी तरह से पोटेशियम आयनों से भरे होते हैं।

उच्च वोल्टेज (300 एमवी से अधिक), जिसे "1" के रूप में चिह्नित किया जाता है, फिल्म की चालकता को बढ़ाता है, इसे ऑन मोड में रखता है। इस मामले में, पोटेशियम आयनों द्वारा सभी छिद्रों पर कब्जा नहीं किया जाता है।

परिणामस्वरूप, इनपुट / आउटपुट अनुपात को तार्किक नहीं गेट के रूप में माना जा सकता है, जब इनपुट और आउटपुट मान उलट जाते हैं। सीधे शब्दों में कहें, 0 प्रवेश करता है और 1 बाहर निकलता है, और इसके विपरीत।

यदि दो ग्राफीन फिल्मों का उपयोग किया जाता है, तो तार्किक ऑपरेशन OR (XOR) संभव है। ऐसी स्थिति में, दो फिल्मों की स्थिति में अंतर, जिसे इनपुट मूल्य कहा जाता है, केवल 1 के बराबर होगा यदि फिल्मों में से किसी एक में चालकता हो। दूसरे शब्दों में, हमें 1 मिलता है यदि दो फिल्मों के इनपुट अलग-अलग हैं, और 0 यदि डेटा मेल खाता है।

प्रयोगों ने संवेदनशील स्विचिंग को लागू करने की संभावना भी दिखाई, क्योंकि वोल्टेज में मामूली बदलाव के साथ, फिल्म का संभावित प्रभार बहुत भिन्न होता है। इससे शोधकर्ताओं को यह पता चला कि कस्टम आयन कैप्चर का उपयोग सूचनाओं को संग्रहीत करने के लिए भी किया जा सकता है, क्योंकि संवेदनशील ट्रांजिस्टर नैनोफ्लुइडिक उपकरणों में अत्यंत जटिल कम्प्यूटेशनल ऑपरेशन कर सकते हैं।


पोटेशियम आयनों के कब्जे का प्रदर्शन वीडियो

आयन कैप्चर प्रक्रिया उतनी स्वतंत्र नहीं है जितनी कि लग सकती है। इसे फिल्म की सतह पर विभिन्न वोल्टेजों को लागू करके समायोजित किया जा सकता है।

यह भी पता लगाना संभव था कि फिल्म के छिद्र में आयन "अटक" न केवल फिल्म के माध्यम से अन्य आयनों की पैठ को अवरुद्ध करते हैं, बल्कि फिल्म के चारों ओर एक विद्युत क्षेत्र भी बनाते हैं। आयन को फिल्म से गुजरने के लिए, वोल्टेज को सीमा स्तर पर होना चाहिए। कैप्चर किए गए आयनों का विद्युत क्षेत्र वोल्टेज को 30 mV बढ़ाता है, जो अन्य आयनों की पैठ को पूरी तरह से अवरुद्ध कर देता है।


तार्किक संचालन OR (XOR) और नहीं

यदि फिल्म में 150 mV से कम वोल्टेज लागू किया जाता है, तो आयन इसके माध्यम से प्रवेश नहीं करेंगे। और पकड़े गए आयनों का विद्युत क्षेत्र अन्य आयनों को ताज के पंखों में से पहले धकेलने से रोकता है। 300 mV के वोल्टेज पर, फिल्म आयनों को पारित करना शुरू कर देती है। वोल्टेज जितना अधिक होगा, फंसे हुए आयनों के नुकसान की संभावना अधिक होगी। भटकते हुए आयन भी सक्रिय रूप से फंस को धक्का देना शुरू कर देते हैं, क्योंकि विद्युत क्षेत्र कमजोर है। ये गुण फिल्म को पोटेशियम आयनों के हस्तांतरण के लिए एक उत्कृष्ट अर्धचालक बनाते हैं।

उपसंहार

इस तकनीक पर आधारित एक संभावित उपकरण का सबसे महत्वपूर्ण भौतिक क्षण इसका भौतिक आकार है, जो कई परमाणुओं और विद्युत चालकता की उपस्थिति से अधिक नहीं होना चाहिए। न केवल ग्राफीन आधार हो सकता है, बल्कि अन्य सामग्री भी हो सकती है। एक विकल्प के रूप में, शोधकर्ता विभिन्न प्रकार के धातु डाइक्लोजेनाइड्स की पेशकश करते हैं, क्योंकि उनके पास जल-विकर्षक गुण हैं और उनसे झरझरा संरचनाएं बनाना आसान है।

बेशक, यह भविष्यवाद है, लेकिन इसके समर्थन में तर्क के बिना नहीं। इस तरह के अध्ययन हमें न केवल विभिन्न घटनाओं, प्रक्रियाओं या पदार्थों को समझने के लिए उपकरण प्रदान करते हैं, बल्कि वे ऐसे कार्य भी करते हैं, जो पहली नज़र में, असंभव और असंभव प्रतीत होते हैं, जिसके क्रियान्वयन से हम अपने आसपास की दुनिया को बेहतर बना सकते हैं।

लंबे समय तक हमें "तरल" कंप्यूटर, एक ग्लास में सर्वर और फ्लास्क में फ्लैश ड्राइव के लिए इंतजार करना होगा। हालाँकि, हम पहले से ही अपने और दुनिया के भविष्य के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात समझ रहे हैं।

NIST वेबसाइट की सामग्री का उपयोग लेख लिखने के लिए किया गया था।

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