Computer Liquid: Capture of Ion dalam Graphene

Ketika kita membaca fiksi ilmiah atau menonton film dengan genre yang sama, kita sering menemukan komputer masa depan. Para penulis karya ini memberkahi komputer fiksi mereka dengan segala jenis properti, dari daya komputasi yang tak terbayangkan hingga kualitas manusia. Apa itu layak gangguan manusia sepenuhnya seperti paranoia, yang "menderita" HAL 9000 dari serangkaian karya "Space Odyssey" oleh Arthur Clark. Namun, hari ini kita tidak akan fokus pada mental, atau lebih tepatnya, kemampuan komputasi dari mesin masa depan, tetapi pada struktur fisik mereka. Bagaimana jika komputer masa depan tidak lagi terikat dengan silikon, tetapi dapat berfungsi sebagai cairan? Inilah tepatnya masalah utama penelitian ini, yang akan kita ketahui hari ini. Ayo pergi.

Bahan dasar

Komputer "cair", tidak peduli seberapa liar ungkapan ini, bukanlah ide baru di dunia sains. Selama beberapa dekade, penelitian telah dilakukan, dengan berbagai cara mencoba menerapkan teknologi yang futuristik. Para ilmuwan dari NIST (Institut Nasional Standar dan Teknologi) tidak terkecuali. Studi mereka menunjukkan bahwa operasi logika komputasi dapat dilakukan dalam media cair dengan menangkap ion dalam graphene * mengambang dalam larutan garam.

Graphene * adalah film tipis (setebal 1 atom) atom karbon yang terhubung ke kisi kristal dua dimensi heksagonal (sarang lebah).

Selama percobaan, diketahui bahwa film graphene memperoleh sifat-sifat semikonduktor berbasis silikon, yaitu dapat berfungsi sebagai transistor. Untuk mengontrol film, Anda harus mengubah tegangan. Dan proses ini sangat mirip dengan apa yang terjadi ketika konsentrasi garam dalam sistem biologis berubah.


Film graphene: 29 x 29 cm, ketebalan - 35 mikron. By the way, harganya sekitar $ 65 masing-masing

Fokusnya tentu saja adalah film graphene, dimensi yang tidak lebih dari 5,5 pada 6,4 nm. Dalam strukturnya, film itu seperti teka-teki yang belum selesai, karena di tengahnya ada satu atau lebih "lubang" (pori-pori), lebih tepatnya, lowongan dikelilingi oleh atom oksigen. Ini adalah jebakan untuk ion. Dari sudut pandang kimia, senyawa atom semacam itu mirip dengan eter mahkota, yang diketahui, antara lain, karena fakta bahwa mereka membentuk kompleks yang stabil dengan kation logam. Artinya, ion logam bermuatan positif “menangkap” nya.


Struktur Molekul Potassium Chloride (KCl)

Elemen penting kedua dari percobaan adalah media cair, yang perannya dimainkan oleh air dengan kalium klorida ( KCl ), yang terurai menjadi ion kalium dan klorin.

Ester mahkota menangkap ion kalium, karena yang terakhir memiliki muatan positif.

Graphene - cairan - tegangan

Eksperimen menunjukkan bahwa faktor utama yang mempengaruhi kinerja operasi logis paling sederhana adalah tekanan yang timbul pada film graphene. Pada tingkat konsentrasi kalium klorida yang rendah, hubungan langsung ditunjukkan antara konduktivitas dan hunian film dengan ion. Dengan tingkat hunian rendah, tingkat konduktivitas tinggi, dan sebaliknya. Pengukuran listrik langsung dari level tegangan film graphene dalam percobaan ini adalah operasi logis tertentu - pembacaan.


Model grafis dari penangkapan ion kalium (violet) dalam pori-pori dikelilingi oleh oksigen (merah) pada film graphene (abu-abu)

Sekarang mari kita berurusan dengan angka nol dan satu. Jika pada konsentrasi tertentu kalium klorida pada film tegangannya rendah (kami menetapkannya sebagai "0"), maka film itu sendiri praktis non-konduktif. Dengan kata lain, tidak aktif. Dalam hal ini, pori-pori terisi penuh dengan ion kalium.

Tegangan tinggi (lebih dari 300 mV), dilambangkan sebagai "1", meningkatkan konduktivitas film, menjadikannya dalam mode aktif. Dalam hal ini, tidak semua pori ditempati oleh ion kalium.

Akibatnya, rasio input / output dapat dianggap sebagai gerbang NOT logis, ketika nilai input dan output dibalik. Sederhananya, 0 masuk dan 1 keluar, dan sebaliknya.

Jika dua film graphene digunakan, maka operasi logis OR (XOR) dimungkinkan. Dalam situasi seperti itu, perbedaan dalam keadaan dua film, yang disebut nilai input, akan sama dengan 1 hanya jika salah satu film memiliki konduktivitas tinggi. Dengan kata lain, kita mendapatkan 1 jika input dari dua film berbeda, dan 0 jika data cocok.

Percobaan juga menunjukkan kemungkinan menerapkan switching sensitif, karena bahkan dengan sedikit perubahan tegangan, muatan potensial film sangat bervariasi. Ini mengarahkan para peneliti pada gagasan bahwa pengambilan ion kustom juga dapat digunakan untuk menyimpan informasi, karena transistor sensitif dapat melakukan operasi komputasi yang sangat kompleks dalam perangkat nanofluidic.


Video demonstrasi pengambilan ion kalium

Proses penangkapan ion tidak independen seperti yang terlihat. Dapat disesuaikan dengan menerapkan tegangan yang berbeda di seluruh permukaan film.

Dimungkinkan juga untuk mengetahui bahwa ion-ion “terjebak” di pori-pori film tidak hanya menghalangi penetrasi ion-ion lain melalui film, tetapi juga menciptakan medan listrik di sekitar film. Agar ion dapat melewati film, tegangan harus berada pada level batas. Medan listrik ion yang ditangkap meningkatkan tegangan sebesar 30 mV, yang sepenuhnya menghalangi penetrasi ion lain.


Operasi logis ATAU (XOR) dan BUKAN

Jika tegangan kurang dari 150 mV diterapkan pada film, ion tidak akan lagi menembusnya. Dan medan listrik dari ion yang ditangkap mencegah ion-ion lain mendorong yang pertama keluar dari eter mahkota. Pada tegangan 300 mV, film mulai melewati ion. Semakin tinggi tegangan, semakin besar kemungkinan hilangnya ion yang terperangkap. Ion pengembara juga mulai secara aktif mendorong yang terjebak, karena medan listrik lebih lemah. Sifat-sifat ini membuat film ini menjadi semikonduktor yang sangat baik untuk transfer ion kalium.

Epilog

Momen fisik terpenting dari perangkat yang mungkin didasarkan pada teknik ini adalah ukuran fisiknya, yang tidak boleh melebihi beberapa atom, dan adanya konduktivitas listrik. Tidak hanya graphene yang bisa menjadi dasar, tetapi juga bahan lainnya. Sebagai alternatif, para peneliti menawarkan berbagai jenis logam dichalcogenides, karena mereka memiliki sifat anti air dan mudah untuk membentuk struktur berpori darinya.

Tentu saja, ini futurisme, tetapi bukan tanpa argumen dalam dukungannya. Studi-studi semacam itu tidak hanya memberi kita alat untuk memahami berbagai fenomena, proses atau substansi, tetapi mereka juga menimbulkan tugas-tugas yang tampak gila dan mustahil untuk dipenuhi pada pandangan pertama, implementasi yang memungkinkan kita untuk meningkatkan dunia di sekitar kita.

Untuk waktu yang lama kita harus menunggu komputer "cair", server dalam gelas dan flash drive dalam termos. Namun, kita sudah mendapatkan hal terpenting untuk masa depan kita dan dunia secara keseluruhan.

Bahan-bahan dari situs web NIST digunakan untuk menulis artikel.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?