(PhysOrg.com) -- Hoewel moleculen al zijn gebruikt om individuele logische bewerkingen uit te voeren, wetenschappers hebben nu aangetoond dat een enkel molecuul 13 logische bewerkingen kan uitvoeren, sommige parallel. het molecuul, die bestaat uit drie chromoforen, wordt aangedreven door verschillende golflengten van licht. De wetenschappers voorspellen dat dit systeem, met zijn ongekende complexiteit, zou kunnen dienen als een bouwsteen voor moleculaire informatica, waarin moleculen in plaats van elektronen worden gebruikt voor het verwerken en manipuleren van informatie.

De wetenschappers en ingenieurs, Joakim Andréasson van de Chalmers University of Technology in Göteborg, Zweden; Uwe Pischel van de Universiteit van Huelva, Spanje; en Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, en Devens Gust van de Arizona State University, hebben hun studie genaamd "All-Photonic Multifunctional Molecular Logic Devices" gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Terwijl eerdere voorbeelden van moleculaire logische systemen er een hebben kunnen uitvoeren, of een paar verschillende logische bewerkingen, dit molecuul kan opnieuw worden geconfigureerd om 13 uit te voeren door simpelweg de ingangs- of uitgangsgolflengten te wijzigen, Gust vertelde PhysOrg.com . “Bovendien, het gebruikt licht voor alle in- en uitgangen, wat een aantal van de problemen vermijdt die zich voordoen bij het gebruik van chemicaliën als input.”

In het algemeen, chromoforen zijn de delen van een molecuul die licht van specifieke golflengten absorberen terwijl ze andere golflengten doorlaten, en zijn verantwoordelijk voor de kleur van het molecuul. Wanneer chromoforen tussen twee verschillende toestanden kunnen worden geschakeld door te worden bestraald met licht van verschillende golflengten, ze hebben de mogelijkheid om binaire logische bewerkingen uit te voeren en dienen effectief als transistors. Deze fotoschakelbare, bistabiele chromoforen worden fotochromen genoemd.

---

Om onze te bedanken 25, 000 fans in de Facebook-community, dit verhaal werd een paar uur voordat het live ging op de hoofdsite op de Physorg.com FB-pagina geplaatst

---

Hier, de onderzoekers gebruikten drie fotochromen - een dithienylethene (DTE) en twee fulgmiden (FG) - om een ​​op licht reagerend molecuul te bouwen. Elk van deze fotochromen kan in open of gesloten isomere vorm voorkomen, en kan heen en weer worden geschakeld tussen vormen met lichtpulsen van verschillende golflengten.

De twee vormen die elk fotochroom kan aannemen, vertegenwoordigen de twee toestanden die als basis dienen voor het uitvoeren van binaire logische bewerkingen. Verschillende combinaties van de drie fotochromen in verschillende isomere vormen kunnen worden gebruikt om binaire rekenkunde uit te voeren, zoals optellen en aftrekken. Hoewel eerdere op moleculair gebaseerde systemen binaire rekenkunde hebben uitgevoerd, het FG-DTE-molecuul is de eerste die deze bewerkingen kan uitvoeren met slechts twee inputs:licht met golflengten van 302 nm en 397 nm. Ook, alle drie de fotochromen kunnen worden gereset door bestraling met groen licht (460-590 nm). Door deze kenmerken kan het molecuul parallel optellen en aftrekken, simpelweg door licht de fotochromen te laten omzetten in verschillende isomere vormen.

"Al deze 13 logische bewerkingen delen dezelfde begintoestand, dat is, het molecuul wordt altijd ‘gereset’ naar één en dezelfde toestand door het gebruik van groen licht, ongeacht welke logische functie moet worden uitgevoerd, ' zei Andréasson. "Dit is een ander uniek kenmerk van ons molecuul."

De onderzoekers toonden ook aan dat het FG-DTE-molecuul niet-rekenkundige functies kan uitvoeren. Bijvoorbeeld, als digitale multiplexer, het molecuul kan fungeren als een nabootsing van een mechanische draaischakelaar om een ​​van de verschillende ingangen op een uitgang aan te sluiten. Als demultiplexer het molecuul kan twee signalen scheiden die in één uitvoer zijn gemultiplext.

Verder, het FG-DTE-molecuul kan sequentiële logische functies uitvoeren, waarin inputs in de juiste volgorde moeten worden toegepast, zoals voor een toetsenbordvergrendeling. Het molecuul kan ook werken als een overdrachtspoort door de toestand van een invoer over te dragen naar die van een uitvoer, wat handig is voor ingewikkelde rekenkundige bewerkingen. De onderzoekers toonden ook aan dat het molecuul kan fungeren als encoder en decoder, door digitale informatie te comprimeren voor verzending of opslag, en vervolgens de informatie in zijn oorspronkelijke vorm te herstellen.

Hoewel elk van deze individuele logische bewerkingen eerder is uitgevoerd door moleculaire systemen, het FG-DTE-molecuul is de eerste die ze allemaal verenigt in een enkel moleculair platform. Transistors en andere meer traditionele logische apparaten hebben niet dezelfde functionele flexibiliteit, die de onderzoekers toeschrijven aan het vermogen van de chromoforen om verschillend te reageren op verschillende golflengten van licht en om elkaars eigenschappen te beïnvloeden.

Wat betreft toepassingen, de onderzoekers merken op dat het onwaarschijnlijk is dat dergelijke moleculaire apparaten binnenkort elektronische computers zullen vervangen, maar ze kunnen toepassingen hebben in nanotechnologie en biogeneeskunde, zoals voor gegevensopslag, labelen en volgen van micro-objecten, en geprogrammeerde medicijnafgifte.

“Op korte termijn moleculaire logische apparaten zullen een aanvulling vormen, in plaats van te concurreren met, elektronische apparaten, ' zei Gust. “In principe moleculair computergebruik kan worden geïmplementeerd met extreem kleine schakelaargroottes, aangezien de operationele eenheden moleculen zijn. Fotonisch bediende moleculaire apparaten zoals degene die we beschrijven, kunnen ook gemakkelijk opnieuw worden geconfigureerd om een ​​verscheidenheid aan verschillende logische functies uit te voeren, kan werken met hoge snelheden, en kan worden opgesteld in drie dimensies, in plaats van de vlakke arrangementen die gewoonlijk in elektronica worden aangetroffen.

"Moleculaire logische apparaten kunnen worden gebruikt waar elektronische apparaten dat niet kunnen, ' voegde hij eraan toe. “Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt om nanodeeltjes en componenten op nanoschaal van biologische organismen te labelen en te volgen. Anderzijds, de meeste fotochromen zijn momenteel niet stabiel genoeg om bestand te zijn tegen het grote aantal cycli dat nodig is voor bruikbare volledige gegevensverwerking. In aanvulling, complexe computing vereist handige manieren voor logische apparaten op nanoschaal om met elkaar te communiceren."

“Bovendien, de toepassing van moleculaire logica in biologische systemen, zoals het menselijk lichaam, is nog relatief onontgonnen, hoewel moleculaire systemen hiervoor beter geschikt zijn dan elektronische apparaten, ' zei Andréasson.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan enkele van de grootste uitdagingen aan te gaan waarmee de moleculaire logica wordt geconfronteerd, zoals de efficiënte bedrading (aaneenschakeling) van logische schakelaars.

"Een van de grootste uitdagingen van de moleculaire logica is de aaneenschakeling van logische bewerkingen, ' zei Gust. “Op het gebied van elektronica dit kan eenvoudig worden gedaan door de uitgang van het ene element te verbinden met de ingang van het volgende. We moeten manieren vinden om vergelijkbare resultaten in moleculen te bereiken.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.