Het idee van computers op basis van vloeistoffen in plaats van silicium versterken, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben laten zien hoe computationele logische bewerkingen kunnen worden uitgevoerd in een vloeibaar medium door het vangen van ionen (geladen atomen) in grafeen (een vel koolstofatomen) dat in een zoutoplossing drijft, te simuleren. Het schema kan ook worden gebruikt in toepassingen zoals waterfiltratie, energieopslag of sensortechnologie.

Het idee om een ​​vloeibaar medium te gebruiken voor computergebruik bestaat al tientallen jaren, en er zijn verschillende benaderingen voorgesteld. Een van de mogelijke voordelen is deze aanpak zou heel weinig materiaal vereisen en de zachte componenten kunnen zich aanpassen aan aangepaste vormen in, bijvoorbeeld, het menselijk lichaam.

NIST's op ionen gebaseerde transistor- en logische operaties zijn eenvoudiger van opzet dan eerdere voorstellen. De nieuwe simulaties laten zien dat een speciale film ondergedompeld in vloeistof kan werken als een vaste halfgeleider op siliciumbasis. Bijvoorbeeld, het materiaal kan werken als een transistor, de schakelaar die digitale logische bewerkingen in een computer uitvoert. De film kan worden in- en uitgeschakeld door het afstemmen van spanningsniveaus zoals die worden veroorzaakt door zoutconcentraties in biologische systemen.

"Vorige apparaten waren veel uitgebreider en complexer, "NIST-theoreticus Alex Smolyanitsky zei. "Wat deze ionenvangende benadering bereikt, is conceptuele eenvoud. In aanvulling, hetzelfde exacte apparaat kan zowel als transistor als als geheugenapparaat fungeren - u hoeft alleen de invoer en uitvoer om te schakelen. Dit is een functie die rechtstreeks voortkomt uit ion trapping."

De NIST-simulaties van moleculaire dynamica waren gericht op een grafeenvel van 5,5 bij 6,4 nanometer (nm) groot en met een of meer kleine gaatjes bekleed met zuurstofatomen. Deze poriën lijken op kroonethers - elektrisch neutrale cirkelvormige moleculen waarvan bekend is dat ze metaalionen opsluiten. Grafeen is een vel koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken, vergelijkbaar in vorm met kippengaas, die elektriciteit geleidt en kan worden gebruikt om circuits te bouwen. Dit zeshoekige ontwerp lijkt zich te lenen voor poriën, En in feite, andere onderzoekers hebben onlangs in het laboratorium kroonachtige gaten in grafeen gemaakt.

In de NIST-simulaties, het grafeen was gesuspendeerd in water dat kaliumchloride bevatte, een zout dat zich splitst in kalium- en natriumionen. De kroonetherporiën zijn ontworpen om kaliumionen op te vangen, die een positieve lading hebben. Simulaties tonen aan dat het opsluiten van een enkel kaliumion in elke porie elke penetratie van extra losse ionen door het grafeen verhindert. en dat de invang- en penetratieactiviteit kan worden afgestemd door verschillende spanningsniveaus over het membraan aan te brengen, logische bewerkingen maken met nullen en enen (zie tekstvak hieronder).

Ionen die in de poriën vastzitten, blokkeren niet alleen extra ionenpenetratie, maar creëren ook een elektrische barrière rond het membraan. Slechts 1 nm verwijderd van het membraan, dit elektrische veld verhoogt de barrière, of energie die nodig is om een ​​ion te laten passeren, met 30 millivolt (mV) boven die van het membraan zelf.

Het aanbrengen van spanningen van minder dan 150 mV over het membraan schakelt elke penetratie uit. Eigenlijk, bij lage spanningen, het membraan wordt geblokkeerd door de opgesloten ionen, terwijl het proces van losse ionen die de ingesloten ionen uitschakelen waarschijnlijk wordt onderdrukt door de elektrische barrière. Membraanpenetratie wordt ingeschakeld bij spanningen van 300 mV of meer. Naarmate de spanning toeneemt, de kans op het verliezen van ingesloten ionen groeit en knock-outgebeurtenissen komen vaker voor, aangemoedigd door de verzwakkende elektrische barrière. Op deze manier, het membraan werkt als een halfgeleider bij het transporteren van kaliumionen.

Om echte apparaten te maken, kroonetherporiën zouden betrouwbaar moeten worden vervaardigd in fysieke monsters van grafeen of andere materialen die slechts een paar atomen dik zijn en elektriciteit geleiden. Andere materialen kunnen aantrekkelijke structuren en functies bieden. Bijvoorbeeld, overgangsmetaal dichalcogeniden (een soort halfgeleider) kunnen worden gebruikt omdat ze vatbaar zijn voor een reeks poriestructuren en het vermogen om water af te stoten.

Een logische bewerking maken in vloeistof

NIST-simulaties toonden aan dat het vangen van ionen afhangt van de spanning over het poreuze grafeenmembraan, suggereert de mogelijkheid van het uitvoeren van eenvoudige op ionen gebaseerde logische bewerkingen. Bij voldoende lage zoutconcentratie, het sterk geleidende (aan)-regime van het membraan valt samen met een lage ingesloten ionenbezetting, en vice versa. Directe elektrische meting van de spanning van het membraan, die in een elektrisch circuit kunnen worden gebruikt, is wat bekend staat als een "lees" -bewerking.

Als een lage spanning, aangegeven 0, wordt aangebracht over het membraan met de juiste zoutconcentratie, het membraan is bijna niet-geleidend (uit) en de poriën zijn volledig bezet door de opgesloten ionen. Daarom, de lading in het grafeencircuit, gemeten aan het membraan, relatief hoog is, aangeduid als 1. Omgekeerd, bij hoogspanning (meer dan 300 mV), aangegeven 1, is toegepast, het membraan is sterk geleidend (aan), er worden minder ionen vastgehouden, en dus wordt een lage (0) energietoestand in het membraan zelf gemeten.

De input-output relatie kan worden gezien als een NIET logische poort of operatie, waarin invoer- en uitvoerwaarden worden omgekeerd. Als 0 binnenkomt, dan komt er 1 uit, en vice versa. Met twee grafeenplaten zou een OR (XOR) logische operatie mogelijk zijn. In dit geval, de uitgangswaarde, of het verschil tussen de twee membraantoestanden, is alleen 1 wanneer een van de twee vellen sterk geleidend is. Anders gezegd, de uitgang is 1 als de ingangen verschillend zijn, maar 0 als de twee ingangen identiek zijn.

Zelfs een kleine variatie in aangelegde spanning resulteert in een relatief grote verandering in potentiële membraanlading of stroom, wat suggereert dat gevoelig schakelen mogelijk is. Dus, voltage-afstembare ionenvanger in kroonporiën kan worden gebruikt om informatie op te slaan, en eenvoudig, toch kunnen gevoelige ionische transistors worden gebruikt om geavanceerde logische bewerkingen uit te voeren in nanofluïdische computerapparatuur.