In de klassieke informatica, informatie wordt in bits opgeslagen; in de kwantumcomputerwetenschap, informatie wordt opgeslagen in kwantumbits, of qubits. Experimenten aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau bewijzen dat chemie ook een geschikte basis is voor het opslaan van informatie. Het chemische stukje, of 'chit, ' is een eenvoudige opstelling van drie druppels in contact met elkaar, waarin oscillerende reacties optreden.

In typisch elektronisch geheugen, nullen en enen worden geregistreerd, opgeslagen en gelezen door fysieke verschijnselen zoals de stroom van elektriciteit of de verandering in elektrische of magnetische eigenschappen. Dr. Konrad Gizynski en prof. Jerzy Gorecki van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau hebben een werkgeheugen aangetoond dat gebaseerd is op chemische verschijnselen. Een enkel bit wordt hier opgeslagen in drie aangrenzende druppeltjes, waartussen chemische reactiefronten zich gestaag voortplanten, cyclisch, en op een strikt gedefinieerde manier.

De chemische basis van deze vorm van geheugen is de Belousov-Zhabotinsky (BZ) reactie. Het verloop van de reactie is oscillerend. Wanneer een cyclus eindigt, de reagentia die nodig zijn om de volgende cyclus te starten, worden in de oplossing gereconstitueerd. Voordat de reactie stopt, er zijn meestal enkele tientallen tot honderden trillingen. Ze gaan gepaard met een regelmatige verandering in de kleur van de oplossing, veroorzaakt door ferroïne, de reactiekatalysator. De tweede katalysator die door de Warschau-onderzoekers werd gebruikt, was ruthenium. De introductie van ruthenium zorgt ervoor dat de BZ-reactie lichtgevoelig wordt - wanneer de oplossing wordt verlicht door blauw licht, het houdt op te oscilleren. Deze eigenschap maakt het mogelijk om het verloop van de reactie te regelen.

"Ons idee voor de chemische opslag van informatie was eenvoudig. Uit onze eerdere experimenten, we wisten dat wanneer Belousov-Zhabotinsky-druppels in contact zijn, chemische fronten kunnen zich van druppel naar druppel voortplanten. Dus besloten we op zoek te gaan naar de kleinste druppelsystemen waarin excitaties op verschillende manieren konden plaatsvinden, met ten minste twee stabiel. We zouden dan een reeks excitaties een logische waarde van 0 kunnen toekennen, de andere 1, en om ertussen te schakelen en een bepaalde verandering van geheugenstatus af te dwingen, we kunnen licht gebruiken, " legt prof. Gorecki uit.

Experimenten werden uitgevoerd in een container gevuld met een dunne laag lipide-oplossing in olie (decaan). Kleine hoeveelheden oscillerende oplossing toegevoegd aan het systeem met een pipet gevormde druppeltjes. Deze werden geplaatst boven de uiteinden van optische vezels die naar de bodem van de container werden gebracht. Om te voorkomen dat de druppels van de optische vezels afglijden, elk werd geïmmobiliseerd door verschillende staven die uit de basis van de container staken.

De zoektocht begon met een studie van paren gekoppelde druppeltjes waarin vier typen (modi) van oscillatie kunnen plaatsvinden:druppel één prikkelt druppel twee; druppel twee wekt druppel één op; beide druppeltjes prikkelen elkaar tegelijkertijd; beide prikkelen elkaar afwisselend (d.w.z. wanneer iemand opgewonden is, de andere bevindt zich in de vuurvaste fase).

"In gepaarde druppelsystemen, meest voorkomend, de ene druppel wekte de andere op. Helaas, slechts één modus van dit type was altijd stabiel, en we hadden er twee nodig, " zegt Dr. Gizynski. "Beide druppels bestaan ​​uit dezelfde oplossing, maar ze hebben nooit precies dezelfde afmetingen. Als resultaat, in elke druppel, de chemische oscillaties vinden plaats in een iets ander tempo. In dergelijke gevallen, de druppel die langzamer oscilleert, begint zijn ritme aan te passen aan zijn snellere 'vriend'. Zelfs als het mogelijk zou zijn om met licht de langzamere oscillerende druppel te dwingen om de snellere oscillerende druppel te exciteren, het systeem zou terugkeren naar de modus waarin de snellere druppel de langzamere stimuleerde."

In deze situatie, de IPC PAS-onderzoekers keken naar drielingen van aangrenzende druppeltjes die in een driehoek waren gerangschikt (zodat elke druppel zijn twee buren raakte). Chemische fronten kunnen zich hier op vele manieren voortplanten:Druppels kunnen gelijktijdig in tegenfase oscilleren, twee druppels kunnen tegelijkertijd oscilleren en oscillaties forceren in de derde, enz. De onderzoekers waren het meest geïnteresseerd in rotatiemodi, waarbij de chemische fronten van druppel naar druppel gingen in een 1-2-3 volgorde of in de tegenovergestelde richting (3-2-1).

Een druppel waarin de Belousov-Zhabotinsky-reactie verloopt, wordt snel opgewonden, maar het duurt veel langer voordat het terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat en pas dan kan het weer opgewonden raken. Dus als in de 1-2-3 modus de excitatie druppel drie te snel zou bereiken, het zou niet doordringen tot druppel één om een ​​nieuwe cyclus te starten, omdat een druppel niet genoeg tijd zou hebben om te 'rusten'. Als resultaat, de rotatiemodus zou verdwijnen. IPC PAS-onderzoekers waren alleen geïnteresseerd in rotatiemodi die in staat zijn tot meerdere herhalingen van de cyclus van excitaties. Ze hadden een bijkomend voordeel:de chemische fronten die tussen de druppels circuleren, lijken op een spiraalvormige golf, en golven van dit type worden gekenmerkt door een verhoogde stabiliteit.

Experimenten toonden aan dat beide bestudeerde rotatiemodi stabiel zijn, en als een systeem een ​​van hen binnengaat, het blijft totdat de Belousov-Zhabotinsky-reactie ophoudt. Er werd ook bewezen dat door de juiste keuze van de tijd en lengte van de verlichting van de juiste druppeltjes, de draairichting van de excitaties kan worden gewijzigd. Het triplet-druppelsysteem, met meerdere chemische fronten, was dus in staat om permanent een van de twee logische toestanden op te slaan.

"In feite, onze chemische bit heeft een iets groter potentieel dan de klassieke bit. De rotatiemodi die we gebruikten om toestanden nul en één vast te leggen, hadden de kortste oscillatieperioden van 18,7 en 19,5 seconden, respectievelijk. Dus als het systeem langzamer oscilleerde, we zouden kunnen praten over een extra derde logische toestand, " merkte Dr. Gizynski op, en merkt op dat deze derde staat kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de juistheid van het dossier te verifiëren.

Het onderzoek naar het geheugen bestaande uit oscillerende druppeltjes was basaal van aard en diende alleen om aan te tonen dat stabiele opslag van informatie met behulp van chemische reacties mogelijk is. De nieuw gevormde geheugenreacties waren alleen verantwoordelijk voor het opslaan van informatie, terwijl het opnemen en lezen fysieke methoden vereiste. Het zal waarschijnlijk vele jaren duren voordat een volledig functionerend chemisch geheugen kan worden gebouwd als onderdeel van een toekomstige chemische computer.