Forskere simulerer simpel logik for nanofluidisk computing

Opfriskende ideen om computere baseret på væsker i stedet for silicium, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har vist, hvordan beregningsmæssige logiske operationer kan udføres i et flydende medium ved at simulere fangst af ioner (ladede atomer) i grafen (et ark carbonatomer), der flyder i saltopløsning. Ordningen kan også bruges til applikationer såsom vandfiltrering, energilagring eller sensorteknologi.

Ideen om at bruge et flydende medium til computing har eksisteret i årtier, og forskellige tilgange er blevet foreslået. Blandt dens potentielle fordele, denne tilgang ville kræve meget lidt materiale, og dets bløde komponenter kunne tilpasse sig brugerdefinerede former i, for eksempel, den menneskelige krop.

NIST's ion-baserede transistor og logiske operationer er enklere i konceptet end tidligere forslag. De nye simuleringer viser, at en særlig film nedsænket i væske kan fungere som en solid siliciumbaseret halvleder. For eksempel, materialet kan fungere som en transistor, kontakten, der udfører digitale logiske operationer i en computer. Filmen kan tændes og slukkes ved at indstille spændingsniveauer som dem, der fremkaldes af saltkoncentrationer i biologiske systemer.

"Tidligere enheder var meget mere detaljerede og komplekse, "NIST-teoretikeren Alex Smolyanitsky sagde." Hvad denne ionfangende tilgang opnår, er konceptuel enkelhed. Ud over, den samme nøjagtige enhed kan fungere som både en transistor og en hukommelsesenhed - alt du skal gøre er at skifte input og output. Dette er en funktion, der kommer direkte fra ionfangst. "

NIST -molekylær dynamiksimuleringerne fokuserede på et grafenark på 5,5 x 6,4 nanometer (nm) i størrelse og med et eller flere små huller foret med oxygenatomer. Disse porer ligner kroneetere - elektrisk neutrale cirkulære molekyler, der vides at fange metalioner. Graphen er et ark kulstofatomer arrangeret i sekskanter, ligner kyllingetråd i form, der leder elektricitet og kan bruges til at bygge kredsløb. Dette sekskantede design ser ud til at være egnet til porer, og faktisk, andre forskere har for nylig skabt kronelignende huller i grafen i laboratoriet.

I NIST -simuleringerne grafen blev suspenderet i vand indeholdende kaliumchlorid, et salt, der deler sig i kalium- og natriumioner. Kronetherens porer blev designet til at fange kaliumioner, som har en positiv ladning. Simuleringer viser, at fangst af en enkelt kaliumion i hver pore forhindrer indtrængning af yderligere løse ioner gennem grafen, og at fangst- og penetrationsaktivitet kan indstilles ved at anvende forskellige spændingsniveauer over membranen, oprette logiske operationer med 0'er og 1'er (se tekstboks nedenfor).

Ioner fanget i porerne blokerer ikke kun yderligere ionindtrængning, men skaber også en elektrisk barriere omkring membranen. Kun 1 nm væk fra membranen, dette elektriske felt øger barrieren, eller den energi, der er nødvendig for, at en ion kan passere igennem, med 30 millivolt (mV) over membranens selv.

Anvendelse af spændinger på mindre end 150 mV over membranen "slukker" enhver indtrængning. I det væsentlige, ved lave spændinger, membranen blokeres af de fangede ioner, mens processen med løse ioner, der slår de fangede ioner ud, sandsynligvis undertrykkes af den elektriske barriere. Membranindtrængning aktiveres ved spændinger på 300 mV eller mere. Når spændingen stiger, sandsynligheden for at miste fangede ioner vokser, og knockout -begivenheder bliver mere almindelige, opmuntret af den svækkede elektriske barriere. På denne måde, membranen fungerer som en halvleder ved transport af kaliumioner.

For at lave egentlige enheder, kroneetherporer skulle fremstilles pålideligt i fysiske prøver af grafen eller andre materialer, der kun er få atomer tykke og leder elektricitet. Andre materialer kan tilbyde attraktive strukturer og funktioner. For eksempel, overgangsmetal -dichalcogenider (en type halvleder) kan bruges, fordi de er modtagelige for en række porestrukturer og evner til at afvise vand.

Gør en logisk operation i væske

NIST -simuleringer viste, at ionfangst afhænger af spændingen over den porøse grafenmembran, hvilket tyder på muligheden for at udføre simple ionbaserede logiske operationer. Ved tilstrækkelig lav saltkoncentration, membranens stærkt ledende (on) regime falder sammen med lavt fanget ionbelægning, og omvendt. Direkte elektrisk måling af membranens spænding, som kan bruges i et elektrisk kredsløb, er det, der er kendt som en "læs" -operation.

Hvis en lav spænding, betegnet 0, påføres på tværs af membranen med passende saltkoncentration, membranen er næsten ikke -ledende (slukket), og dens porer er fuldt optaget af de fangede ioner. Derfor, ladningen i grafenkredsløbet, målt ved membranen, er relativt høj, betegnet som 1. Omvendt når højspænding (mere end 300 mV), betegnet 1, anvendes, membranen er meget ledende (på), færre ioner er fanget, og således måles en lav (0) energitilstand i selve membranen.

Input-output-forholdet kan ses som en IKKE logisk gate eller operation, hvor input- og outputværdier vendes. Hvis 0 går ind, så kommer 1 ud, og omvendt. Med to grafenark ville en OR (XOR) logisk operation være mulig. I dette tilfælde, outputværdien, eller forskellen mellem de to membrantilstande, er kun 1, når et af de to ark er meget ledende. Sagt på en anden måde, output er 1, hvis input er forskellige, men 0 hvis de to input er identiske.

Selv en lille variation i påført spænding resulterer i en relativt stor ændring i potentiel membranladning eller strøm, hvilket tyder på, at følsom skiftning kan være mulig. Dermed, spændingsjusterbar ionfangst i kronens porer kan bruges til at gemme oplysninger, og enkelt, alligevel kan følsomme ioniske transistorer bruges til at udføre sofistikerede logiske operationer i nanofluidiske computerenheder.