Revitalizando la idea de computadoras basadas en fluidos en lugar de silicio, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han demostrado cómo las operaciones de lógica computacional podrían realizarse en un medio líquido simulando la captura de iones átomos cargados engrafeno una lámina de átomos de carbono que flota en solución salina. El esquema también podría usarse en aplicaciones como filtración de agua, almacenamiento de energía o tecnología de sensores.
La idea de utilizar un medio líquido para la informática ha existido durante décadas, y se han propuesto varios enfoques. Entre sus ventajas potenciales, este enfoque requeriría muy poco material y sus componentes blandos podrían ajustarse a formas personalizadas, por ejemplo,el cuerpo humano.
El transistor basado en iones y las operaciones lógicas del NIST son más simples en concepto que las propuestas anteriores. Las nuevas simulaciones muestran que una película especial sumergida en líquido puede actuar como un semiconductor basado en silicio sólido. Por ejemplo, el material puede actuar como un transistor,el interruptor que realiza operaciones de lógica digital en una computadora. La película se puede encender y apagar ajustando niveles de voltaje como los inducidos por las concentraciones de sal en los sistemas biológicos.
"Los dispositivos anteriores eran mucho más elaborados y complejos", dijo el teórico del NIST Alex Smolyanitsky. "Lo que logra este enfoque de captura de iones es la simplicidad conceptual. Además, el mismo dispositivo exacto puede actuar como un transistor y un dispositivo de memoria -todo lo que tiene que hacer es cambiar la entrada y la salida. Esta es una característica que proviene directamente de la captura de iones ".
Las simulaciones de dinámica molecular del NIST se centraron en una hoja de grafeno de 5,5 por 6,4 nanómetros nm de tamaño y con uno o más pequeños agujeros revestidos con átomos de oxígeno. Estos poros se asemejan a éteres corona, moléculas circulares eléctricamente neutras conocidas por atrapar iones metálicos.El grafeno es una lámina de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, de forma similar al alambre de gallina, que conduce electricidad y podría usarse para construir circuitos. Este diseño hexagonal parece prestarse a los poros, y de hecho, otros investigadores han creado recientemente una corona.-como agujeros en el grafeno en el laboratorio.
En las simulaciones NIST, el grafeno se suspendió en agua que contiene cloruro de potasio, una sal que se divide en iones de potasio y sodio. Los poros del éter corona fueron diseñados para atrapar iones de potasio, que tienen una carga positiva. Las simulaciones muestran que atrapar un soloEl ión potasio en cada poro evita cualquier penetración de iones sueltos adicionales a través del grafeno, y esa actividad de captura y penetración se puede ajustar aplicando diferentes niveles de voltaje a través de la membrana, creando operaciones lógicas con 0s y 1s ver cuadro de texto a continuación.
Los iones atrapados en los poros no solo bloquean la penetración de iones adicionales sino que también crean una barrera eléctrica alrededor de la membrana. A solo 1 nm de la membrana, este campo eléctrico aumenta la barrera o la energía necesaria para que un ión pase a través de 30milivoltios mV por encima de la membrana misma.
La aplicación de voltajes de menos de 150 mV a través de la membrana apaga cualquier penetración. Esencialmente, a voltajes bajos, la membrana es bloqueada por los iones atrapados, mientras que el proceso de iones sueltos que eliminan a los iones atrapados es probablemente suprimido por elbarrera eléctrica. La penetración de la membrana se activa a voltajes de 300 mV o más. A medida que aumenta el voltaje, la probabilidad de perder iones atrapados crece y los eventos de golpe se vuelven más comunes, alentados por el debilitamiento de la barrera eléctrica. De esta manera, la membrana actúa comoun semiconductor en el transporte de iones de potasio.
Para fabricar dispositivos reales, los poros del éter de corona deberían fabricarse de manera confiable en muestras físicas de grafeno u otros materiales que tengan solo unos pocos átomos de espesor y conduzcan electricidad. Otros materiales pueden ofrecer estructuras y funciones atractivas. Por ejemplo, dichos diclcogenuros de metales de transiciónun tipo de semiconductor podría usarse porque son susceptibles a una variedad de estructuras de poros y habilidades para repeler el agua.
Hacer una operación lógica en líquido
Las simulaciones de NIST mostraron que el atrapamiento de iones depende del voltaje a través de la membrana de grafeno poroso, lo que sugiere la posibilidad de realizar operaciones lógicas simples basadas en iones. A una concentración de sal suficientemente baja, el régimen altamente conductivo encendido de la membrana coincide con una baja ocupación de iones atrapados, y viceversa. La medición eléctrica directa del voltaje de la membrana, que podría usarse en un circuito eléctrico, es lo que se conoce como operación de "lectura".
Si se aplica un voltaje bajo, denotado 0, a través de la membrana con la concentración de sal adecuada, la membrana es casi no conductora apagada y sus poros están completamente ocupados por los iones atrapados. Por lo tanto, la carga en el circuito de grafeno, medida ala membrana es relativamente alta, indicada como 1. Por el contrario, cuando se aplica alto voltaje más de 300 mV, indicado como 1, la membrana es altamente conductora activada, quedan menos iones atrapados y, por lo tanto, un nivel bajo 0se mide el estado de energía en la membrana misma.
La relación entrada-salida se puede ver como una puerta u operación NO lógica, en la que se invierten los valores de entrada y salida. Si entra 0, sale 1 y viceversa. Con dos hojas de grafeno un OR XORla operación lógica sería posible. En este caso, el valor de salida, o la diferencia entre los dos estados de membrana, es 1 solo cuando cualquiera de las dos hojas es altamente conductora. Dicho de otra manera, la salida es 1 si las entradas son diferentes pero0 si las dos entradas son idénticas
Incluso una pequeña variación en el voltaje aplicado da como resultado un cambio relativamente grande en la carga o corriente potencial de la membrana, lo que sugiere que es posible una conmutación sensible. Por lo tanto, el atrapamiento de iones sintonizable por voltaje en los poros de la corona podría usarse para almacenar información, y simple,Sin embargo, los transistores iónicos sensibles podrían usarse para realizar operaciones lógicas sofisticadas en dispositivos de computación nanofluídica.
La investigación está financiada por la Iniciativa de Genoma de Materiales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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