In een ontdekking gepubliceerd in het tijdschrift Natuur, een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw moleculair apparaat beschreven met uitzonderlijke rekenvaardigheid.

Doet denken aan de plasticiteit van verbindingen in het menselijk brein, het apparaat kan on-the-fly opnieuw worden geconfigureerd voor verschillende rekentaken door eenvoudig de aangelegde spanningen te veranderen. Verder, zoals zenuwcellen herinneringen kunnen opslaan, hetzelfde apparaat kan ook informatie bewaren voor toekomstig ophalen en verwerken.

"De hersenen hebben het opmerkelijke vermogen om hun bedrading te veranderen door verbindingen tussen zenuwcellen te maken en te verbreken. Iets vergelijkbaars bereiken in een fysiek systeem was buitengewoon uitdagend, " zei Dr. R. Stanley Williams, professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Texas A&M University. "We hebben nu een moleculair apparaat gemaakt met dramatische herconfigureerbare, wat niet wordt bereikt door fysieke verbindingen zoals in de hersenen te veranderen, maar door de logica ervan te herprogrammeren."

Dr. T. Venkatesan, directeur van het Center for Quantum Research and Technology (CQRT) aan de Universiteit van Oklahoma, Wetenschappelijk filiaal bij het National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, en adjunct-hoogleraar elektrische en computertechniek aan de National University of Singapore, voegde toe dat hun moleculaire apparaat in de toekomst zou kunnen helpen bij het ontwerpen van verwerkingschips van de volgende generatie met verbeterde rekenkracht en snelheid, maar verbruiken aanzienlijk minder energie.

Of het nu de vertrouwde laptop is of een geavanceerde supercomputer, digitale technologieën worden geconfronteerd met een gemeenschappelijke aartsvijand, de von Neumann-knelpunt. Deze vertraging in computationele verwerking is een gevolg van de huidige computerarchitecturen, waarin de herinnering, met gegevens en programma's, is fysiek gescheiden van de processor. Als resultaat, computers besteden een aanzienlijke hoeveelheid tijd aan het pendelen van informatie tussen de twee systemen, het knelpunt veroorzaken. Ook, ondanks extreem hoge processorsnelheden, deze eenheden kunnen gedurende langere tijd inactief zijn tijdens perioden van informatie-uitwisseling.

Als alternatief voor conventionele elektronische onderdelen die worden gebruikt voor het ontwerpen van geheugeneenheden en processors, apparaten die memristors worden genoemd, bieden een manier om de bottleneck van von Neumann te omzeilen. memristors, zoals die gemaakt van niobiumdioxide en vanadiumdioxide, overgang van een isolator naar een geleider bij een ingestelde temperatuur. Deze eigenschap geeft dit soort memristors de mogelijkheid om berekeningen uit te voeren en gegevens op te slaan.

Echter, ondanks hun vele voordelen, deze metaaloxide-memristors zijn gemaakt van zeldzame-aarde-elementen en kunnen alleen werken in beperkende temperatuurregimes. Vandaar, er is een voortdurende zoektocht geweest naar veelbelovende organische moleculen die een vergelijkbare memristieve functie kunnen vervullen, zei Willems.

Dr. Sreebrata Goswami, een professor aan de Indian Association for the Cultivation of Science, ontwierp het materiaal dat in dit werk werd gebruikt. De verbinding heeft een centraal metaalatoom (ijzer) gebonden aan drie organische fenyl-azopyridine-moleculen die liganden worden genoemd.

"Dit gedraagt ​​zich als een elektronenspons die maar liefst zes elektronen omkeerbaar kan absorberen, resulterend in zeven verschillende redoxtoestanden, " zei Sreebrata. "De interconnectiviteit tussen deze staten is de sleutel achter de herconfigureerbaarheid die in dit werk wordt getoond."

Dr. Sreetosh Goswami, een onderzoeker aan de Nationale Universiteit van Singapore, bedacht dit project door een klein elektrisch circuit te creëren dat bestaat uit een laag moleculaire film van 40 nanometer, ingeklemd tussen een laag goud bovenop en met goud doordrenkte nanoschijf en indiumtinoxide aan de onderkant.

Bij het aanbrengen van een negatieve spanning op het apparaat, Sreetosh was getuige van een stroom-spanningsprofiel dat niemand eerder had gezien. In tegenstelling tot metaaloxide-memristors die met slechts één vaste spanning van metaal naar isolator kunnen schakelen, de organische moleculaire apparaten konden heen en weer schakelen van isolator naar geleider bij verschillende discrete opeenvolgende spanningen.

"Dus, als u het apparaat ziet als een aan-uitschakelaar, terwijl we de spanning negatiever vegen, het apparaat is eerst van aan naar uit geschakeld, dan uit naar aan, dan aan naar uit en dan weer naar aan. Ik zal zeggen dat we gewoon uit onze stoel werden geblazen, "zei Venkatesan. "We moesten onszelf ervan overtuigen dat wat we zagen echt was."

Sreetosh en Sreebrata onderzochten de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan het merkwaardige schakelgedrag met behulp van een beeldvormende techniek genaamd Raman-spectroscopie. Vooral, ze zochten naar spectrale handtekeningen in de vibrationele beweging van het organische molecuul die de meervoudige overgangen zouden kunnen verklaren. Hun onderzoek onthulde dat het vegen van de negatieve spanning de liganden op het molecuul ertoe bracht een reeks reducties te ondergaan, of elektronen verkrijgen, gebeurtenissen die ervoor zorgden dat het molecuul overging tussen uit- en aan-toestanden.

Volgende, om het extreem complexe stroom-spanningsprofiel van het moleculaire apparaat wiskundig te beschrijven, Williams week af van de conventionele benadering van op natuurkunde gebaseerde vergelijkingen. In plaats daarvan, hij beschreef het gedrag van de moleculen met behulp van een beslissingsboomalgoritme met "als-dan-anders"-statements, een gewone regel code in verschillende computerprogramma's, met name digitale games.

"Videogames hebben een structuur waarin je een personage hebt dat iets doet, en dan gebeurt er iets als resultaat. En dus, als je dat uitschrijft in een computeralgoritme, het zijn als-dan-anders-uitspraken, "zei Williams. "Hier, het molecuul schakelt van aan naar uit als gevolg van aangelegde spanning, en toen had ik het eureka-moment om beslisbomen te gebruiken om deze apparaten te beschrijven, en het werkte heel goed."

Maar de onderzoekers gingen nog een stap verder om deze moleculaire apparaten te gebruiken om programma's uit te voeren voor verschillende real-world computationele taken. Sreetosh toonde experimenteel aan dat hun apparaten redelijk complexe berekeningen in een enkele tijdstap konden uitvoeren en vervolgens opnieuw konden worden geprogrammeerd om in het volgende moment een andere taak uit te voeren.

"Het was heel bijzonder; ons apparaat deed zoiets als wat de hersenen doen, maar op een heel andere manier "zei Sreetosh. "Als je iets nieuws leert of een beslissing neemt, de hersenen kunnen de fysieke bedrading daadwerkelijk herconfigureren en veranderen. evenzo, we kunnen onze apparaten logisch herprogrammeren of opnieuw configureren door ze een andere spanningspuls te geven dan ze eerder hebben gezien."

Venkatesan merkte op dat er duizenden transistors nodig zouden zijn om dezelfde rekenfuncties uit te voeren als een van hun moleculaire apparaten met zijn verschillende beslissingsbomen. Vandaar, hij zei dat hun technologie eerst zou kunnen worden gebruikt in draagbare apparaten, zoals mobiele telefoons en sensoren, en andere toepassingen waar het vermogen beperkt is.

Andere bijdragen aan het onderzoek zijn Dr. Abhijeet Patra en Dr. Ariando van de National University of Singapore; Dr. Rajib Pramanick en Dr. Santi Prasad Rath van de Indian Association for the Cultivation of Science; Dr. Martin Foltin van Hewlett Packard Enterprise, Colorado; en Dr. Damien Thompson van de Universiteit van Limerick, Ierland.

Venkatesan zei dat dit onderzoek indicatief is voor de toekomstige ontdekkingen van dit samenwerkende team, waaronder het centrum van nanowetenschap en techniek van het Indian Institute of Science en de afdeling Microsystems and Nanotechnology van het NIST.