Enkelt molekyle udfører flere logiske operationer samtidigt

(PhysOrg.com) -- Mens molekyler allerede er blevet brugt til at udføre individuelle logiske operationer, Forskere har nu vist, at et enkelt molekyle kan udføre 13 logiske operationer, nogle af dem parallelt. Molekylet, som består af tre kromoforer, drives af forskellige bølgelængder af lys. Forskerne forudsiger, at dette system, med sit hidtil usete kompleksitetsniveau, kunne tjene som en byggesten i molekylær databehandling, hvori molekyler i stedet for elektroner bruges til at behandle og manipulere information.

Forskerne og ingeniørerne, Joakim Andréasson fra Chalmers Tekniske Universitet i Göteborg, Sverige; Uwe Pischel fra University of Huelva, Spanien; og Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, og Devens Gust fra Arizona State University, har offentliggjort deres undersøgelse kaldet "All-Photonic Multifunctional Molecular Logic Devices" i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

"Mens tidligere eksempler på molekylære logiske systemer har været i stand til at udføre en, eller et par forskellige logiske operationer, dette molekyle kan omkonfigureres til at udføre 13 ved blot at ændre input- eller output-bølgelængderne, ” fortalte Gust PhysOrg.com . "Desuden den bruger lys til alle ind- og udgange, hvilket undgår nogle af de problemer, man støder på, når man bruger kemikalier som input."

Generelt, kromoforer er de dele af et molekyle, der absorberer lys med specifikke bølgelængder, mens de transmitterer andre bølgelængder, og er ansvarlige for molekylets farve. Når kromoforer kan skiftes mellem to forskellige tilstande ved at blive bestrålet med lys af forskellige bølgelængder, de har evnen til at udføre binære logiske operationer og fungerer effektivt som transistorer. Disse fotoskiftbare, bistabile kromoforer kaldes fotokromer.

---

For at takke vores 25, 000 fans i Facebook-fællesskabet, denne historie blev lagt ud på Physorg.com FB-siden et par timer før den gik live på hovedsiden

---

Her, forskerne brugte tre fotokromer – en dithienylethen (DTE) og to fulgmider (FG) – til at bygge et lys-responsivt molekyle. Hver af disse fotokromer kan eksistere i enten en åben eller lukket isomer form, og kan skiftes frem og tilbage mellem former med lysimpulser af forskellige bølgelængder.

De to former, som hver fotokrom kan tage, repræsenterer de to tilstande, der tjener som grundlag for at udføre binære logiske operationer. Forskellige kombinationer af de tre fotokromer i forskellige isomere former kan bruges til at udføre binær aritmetik, såsom addition og subtraktion. Selvom tidligere molekylærbaserede systemer har udført binær aritmetik, FG-DTE-molekylet er det første, der kan udføre disse operationer ved hjælp af kun to input:lys med bølgelængder på 302 nm og 397 nm. Også, alle tre fotokromer kan nulstilles ved grøn lysbestråling (460-590 nm). Disse funktioner gør det muligt for molekylet at udføre addition og subtraktion parallelt, simpelthen ved at få lyset til at omdanne fotokrome til forskellige isomere former.

"Alle disse 13 logiske operationer deler den samme begyndelsestilstand, det er, molekylet 'nulstilles' altid til en og samme tilstand ved brug af grønt lys, uanset hvilken logikfunktion der skal udføres, ” sagde Andréasson. "Dette er endnu en unik egenskab ved vores molekyle."

Forskerne viste også, at FG-DTE-molekylet kan udføre ikke-aritmetiske funktioner. For eksempel, som en digital multiplexer, molekylet kan fungere som en efterligning af en mekanisk drejekontakt til at forbinde en hvilken som helst af flere indgange til en udgang. Som en demultiplexer, molekylet kan adskille to signaler, der er blevet multiplekset til én output.

Yderligere, FG-DTE-molekylet kan udføre sekventielle logiske funktioner, hvor input skal anvendes i den rigtige rækkefølge, som for en tastaturlås. Molekylet kan også fungere som en overførselsport ved at overføre tilstanden af ​​et input til det for et output, hvilket er nyttigt til komplicerede beregningsoperationer. Forskerne viste også, at molekylet kan fungere som enkoder og dekoder, ved at komprimere digital information til transmission eller lagring, og derefter gendanne oplysningerne i dens oprindelige form.

Mens hver af disse individuelle logiske operationer tidligere er blevet udført af molekylære systemer, FG-DTE-molekylet er det første, der forener dem alle i en enkelt molekylær platform. Transistorer og andre mere traditionelle logiske enheder har ikke den samme funktionelle fleksibilitet, som forskerne tilskriver kromoforernes evne til at reagere forskelligt på forskellige bølgelængder af lys og til at påvirke hinandens egenskaber.

Hvad angår ansøgninger, forskerne bemærker, at det er usandsynligt, at sådanne molekylære enheder snart vil erstatte elektroniske computere, men de kunne have applikationer inden for nanoteknologi og biomedicin, såsom datalagring, mærkning og sporing af mikroobjekter, og programmeret lægemiddelfrigivelse.

"På kort sigt molekylære logiske enheder vil komplementere, i stedet for at konkurrere med, elektroniske anordninger, " sagde Gust. "I princippet molekylær databehandling kunne implementeres med ekstremt små switchstørrelser, da de operationelle enheder er molekyler. Fotonisk betjente molekylære enheder som den, vi beskriver, kan også let rekonfigureres til at udføre en række forskellige logiske funktioner, kan arbejde ved høje hastigheder, og kan opstilles i tre dimensioner, snarere end de plane arrangementer, der normalt findes i elektronik.

"Molekylære logiske enheder kan bruges, hvor elektroniske ikke kan, " tilføjede han. “F.eks. de kan bruges til at mærke og spore nanopartikler og komponenter i nanoskala i biologiske organismer. På den anden side, de fleste fotokromer er i øjeblikket ikke tilstrækkeligt stabile til at modstå det store antal cyklusser, der kræves til brugbar fuldskalaberegning. Ud over, kompleks computing vil kræve praktiske måder, hvorpå logiske enheder i nanoskala kan kommunikere med hinanden."

"Desuden anvendelsen af ​​molekylær logik i biologiske systemer, såsom den menneskelige krop, er stadig relativt uudforsket, selvom molekylære systemer er bedre egnede til dette formål sammenlignet med elektroniske enheder, ” sagde Andréasson.

I fremtiden, forskerne planlægger at løse nogle af de største udfordringer, som molekylær logik står over for, såsom den effektive ledningsføring (sammenkædning) af logiske kontakter.

"En af de store udfordringer ved molekylær logik er sammenkædning af logiske operationer, " sagde Gust. "I elektronik, dette kan gøres ved blot at forbinde udgangen af ​​et element til indgangen på det næste. Vi er nødt til at finde måder at opnå lignende resultater i molekyler."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.