Computador líquido: captura de íons em grafeno

Quando lemos ficção científica ou assistimos a um filme de gênero semelhante, geralmente encontramos os computadores do futuro. Os autores dessas obras dotaram seus computadores fictícios de todo tipo de propriedades, do poder inimaginável da computação às qualidades humanas. O que vale uma desordem completamente humana como a paranóia, que "sofreu" o HAL 9000 da série de obras de "Space Odyssey" de Arthur Clark. No entanto, hoje vamos nos concentrar não nas habilidades mentais, ou melhor, computacionais das máquinas do futuro, mas em sua estrutura física. E se os computadores futuros não estiverem mais ligados ao silício, mas puderem funcionar como líquidos? Esta é precisamente a questão principal do estudo, que conheceremos hoje. Vamos lá

Base material

Um computador "líquido", por mais selvagem que essa frase pareça, não é uma idéia nova no mundo da ciência. Por várias décadas, pesquisas estão em andamento, tentando, de uma forma ou de outra, implementar uma tecnologia tão futurista. Cientistas do NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) não foram exceção. Seu estudo demonstrou que operações de lógica computacional podem ser realizadas em meio líquido por captura controlada de íons em grafeno * flutuando em solução salina.

O grafeno * é um filme fino (1 átomo de espessura) de átomos de carbono conectado a uma estrutura de cristal bidimensional hexagonal (favo de mel).

Durante os experimentos, observou-se que o filme de grafeno adquire as propriedades de um semicondutor à base de silício, ou seja, pode servir como um transistor. Para controlar o filme, você deve alterar a tensão. E esse processo é muito semelhante ao que acontece quando a concentração de sais nos sistemas biológicos muda.


Filme de grafeno: 29 x 29 cm, espessura - 35 mícrons. A propósito, custa cerca de US $ 65 cada

O foco, é claro, era o filme de grafeno, cujas dimensões não ultrapassavam 5,5 a 6,4 nm. Em sua estrutura, o filme era como um quebra-cabeça inacabado, porque no meio havia um ou mais "buracos" (poros), mais precisamente, vagas cercadas por átomos de oxigênio. Esta é uma armadilha para íons. Do ponto de vista da química, esse composto atômico é semelhante aos éteres de coroa, conhecidos, entre outras coisas, pelo fato de formar complexos estáveis ​​com cátions metálicos. Ou seja, íons metálicos carregados positivamente o capturam.


Estrutura molecular do cloreto de potássio (KCl)

O segundo elemento importante do experimento foi um meio líquido, cujo papel foi desempenhado pela água com cloreto de potássio ( KCl ), que se decompõe em íons potássio e cloro.

Os ésteres de coroa capturaram íons de potássio, uma vez que estes têm carga positiva.

Grafeno - líquido - tensão

Os experimentos mostraram que o principal fator que afeta o desempenho das operações lógicas mais simples é a tensão que surge no filme de grafeno. Em um baixo nível de concentração de cloreto de potássio, é mostrada uma relação direta entre a condutividade e a ocupação do filme com íons. Com baixa ocupação, o nível de condutividade é alto e vice-versa. A medição elétrica direta do nível de tensão de um filme de grafeno neste experimento é uma certa operação lógica - a leitura.


Modelo gráfico da captura de íons potássio (violeta) em poros circundados por oxigênio (vermelho) em um filme de grafeno (cinza)

Agora vamos lidar com zeros e uns. Se a uma certa concentração de cloreto de potássio no filme a tensão é baixa (nós o designamos como "0"), então o filme em si é praticamente não condutor. Em outras palavras, está desativado. Neste caso, os poros são completamente preenchidos com íons de potássio.

A alta tensão (mais de 300 mV), indicada como "1", aumenta a condutividade do filme, colocando-o no modo ligado. Nesse caso, nem todos os poros são ocupados por íons potássio.

Como resultado, a taxa de entrada / saída pode ser considerada como uma porta NOT lógica, quando os valores de entrada e saída são revertidos. Simplificando, 0 entra e 1 sai, e vice-versa.

Se dois filmes de grafeno forem usados, a operação lógica OR (XOR) é possível. Em tal situação, a diferença de estado de dois filmes, denominada valor de entrada, será igual a 1 somente se um dos filmes tiver alta condutividade. Em outras palavras, obtemos 1 se a entrada dos dois filmes for diferente e 0 se os dados corresponderem.

Os experimentos também mostraram a possibilidade de implementar comutação sensível, pois mesmo com uma ligeira mudança de tensão, a carga potencial do filme varia muito. Isso levou os pesquisadores à ideia de que a captura customizada de íons também pode ser usada para armazenar informações, uma vez que os transistores sensíveis podem executar operações computacionais extremamente complexas em dispositivos nanofluídicos.


Vídeo de demonstração da captura de íons potássio

O processo de captura de íons não é tão independente quanto pode parecer. Pode ser ajustado aplicando tensões diferentes na superfície do filme.

Também foi possível descobrir que os íons "presos" nos poros do filme não apenas bloqueiam a penetração de outros íons através do filme, mas também criam um campo elétrico ao redor do filme. Para que o íon passe pelo filme, a tensão deve estar no nível limite. O campo elétrico dos íons capturados aumenta a tensão em 30 mV, o que bloqueia completamente a penetração de outros íons.


Operações lógicas OR (XOR) e NOT

Se uma tensão inferior a 150 mV for aplicada ao filme, os íons não penetrarão mais nele. E o campo elétrico dos íons capturados impede que outros íons empurrem o primeiro para fora dos éteres da coroa. A uma tensão de 300 mV, o filme começa a passar íons. Quanto maior a tensão, maior a probabilidade de perda de íons aprisionados. Os íons errantes também começam a empurrar ativamente os presos, porque o campo elétrico é mais fraco. Essas propriedades tornam o filme um excelente semicondutor para a transferência de íons potássio.

Epílogo

O momento físico mais importante de um possível dispositivo baseado nessa técnica é seu tamanho físico, que não deve exceder vários átomos, e a presença de condutividade elétrica. Não apenas o grafeno pode ser a base, mas também outros materiais. Como alternativa, os pesquisadores oferecem vários tipos de dichalcogenetos metálicos, pois possuem propriedades repelentes à água e é fácil formar estruturas porosas a partir deles.

Claro, isso é futurismo, mas não sem argumentos em seu apoio. Tais estudos não apenas nos fornecem ferramentas para a compreensão de vários fenômenos, processos ou substâncias, mas também representam tarefas que parecem insanas e impossíveis de realizar à primeira vista, cuja implementação nos permite melhorar o mundo ao nosso redor.

Por um longo tempo, teremos que esperar computadores "líquidos", servidores em um copo e pen drives em frascos. No entanto, já estamos obtendo a coisa mais importante para o futuro de nós e do mundo como um todo - o conhecimento.

Materiais do site do NIST foram usados ​​para escrever o artigo.

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