Nell'informatica classica, le informazioni sono memorizzate in bit; nell'informatica quantistica, le informazioni sono memorizzate in bit quantistici, o qubit. Esperimenti presso l'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia dimostrano che anche la chimica è una base adatta per l'archiviazione delle informazioni. Il pezzo chimico, o 'chit, ' è una semplice disposizione di tre goccioline in contatto tra loro, in cui avvengono le reazioni oscillatorie.

Nella tipica memoria elettronica, zero e uno sono registrati, memorizzati e letti da fenomeni fisici come il flusso di elettricità o il cambiamento delle proprietà elettriche o magnetiche. Il dott. Konrad Gizynski e il prof. Jerzy Gorecki dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) di Varsavia hanno dimostrato una memoria di lavoro basata sui fenomeni chimici. Un singolo bit è memorizzato qui in tre goccioline adiacenti, tra i quali si propagano costantemente i fronti di reazione chimica, ciclicamente, e in modo rigorosamente definito.

Il fondamento chimico di questa forma di memoria è la reazione Belousov-Zhabotinsky (BZ). Il corso della reazione è oscillatorio. Quando un ciclo finisce, i reagenti necessari per iniziare il ciclo successivo vengono ricostituiti nella soluzione. Prima che la reazione si fermi, di solito ci sono diverse decine o centinaia di oscillazioni. Sono accompagnati da un cambiamento regolare nel colore della soluzione, causato dalla ferroina, il catalizzatore della reazione. Il secondo catalizzatore utilizzato dai ricercatori di Varsavia è stato il rutenio. L'introduzione del rutenio fa sì che la reazione BZ diventi fotosensibile:quando la soluzione è illuminata da luce blu, cessa di oscillare. Questa caratteristica consente di controllare il corso della reazione.

"La nostra idea per l'archiviazione chimica delle informazioni era semplice. Dai nostri precedenti esperimenti, sapevamo che quando le goccioline di Belousov-Zhabotinsky sono in contatto, i fronti chimici possono propagarsi da gocciolina a gocciolina. Quindi abbiamo deciso di cercare i più piccoli sistemi di goccioline in cui le eccitazioni potessero avvenire in diversi modi, con almeno due stabili. Potremmo quindi assegnare a una sequenza di eccitazioni un valore logico di 0, l'altro 1, e per passare da uno all'altro e forzare un particolare cambiamento di stato della memoria, potremmo usare la luce, " spiega il prof. Gorecki.

Gli esperimenti sono stati condotti in un contenitore riempito con un sottile strato di soluzione lipidica in olio (decano). Piccole quantità di soluzione oscillante aggiunte al sistema con una pipetta formano goccioline. Questi erano posizionati sopra le estremità delle fibre ottiche portate alla base del contenitore. Per evitare che le goccioline scivolino via dalle fibre ottiche, ciascuno era immobilizzato da diverse aste che sporgevano dalla base del contenitore.

La ricerca è iniziata con uno studio di coppie di goccioline accoppiate in cui possono avvenire quattro tipi (modi) di oscillazione:gocciolina uno eccita gocciolina due; la gocciolina due eccita la gocciolina uno; entrambe le goccioline si eccitano a vicenda simultaneamente; entrambi si eccitano alternativamente (cioè, quando uno è eccitato, l'altro è in fase refrattaria).

"Nei sistemi a gocce accoppiate, più spesso, una goccia eccitava l'altra. Sfortunatamente, solo una modalità di questo tipo era sempre stabile, e ce ne servivano due, " dice il dottor Gizynski. "Entrambe le goccioline sono costituite dalla stessa soluzione, ma non hanno mai esattamente le stesse dimensioni. Di conseguenza, in ogni goccia, le oscillazioni chimiche avvengono a un ritmo leggermente diverso. In tali casi, la goccia che oscilla più lentamente inizia ad adeguare il suo ritmo al suo "amico" più veloce. Anche se fosse possibile con la luce forzare la gocciolina oscillante più lenta ad eccitare la gocciolina oscillante più veloce, il sistema ritornerebbe alla modalità in cui la goccia più veloce stimolava quella più lenta."

In questa situazione, i ricercatori dell'IPC PAS hanno esaminato triplette di goccioline adiacenti disposte in un triangolo (quindi ogni goccia ha toccato i suoi due vicini). I fronti chimici possono propagarsi qui in molti modi:le goccioline possono oscillare simultaneamente in anti-fase, due goccioline possono oscillare contemporaneamente e forzare le oscillazioni nella terza, ecc. I ricercatori erano più interessati alle modalità di rotazione, in cui i fronti chimici sono passati da gocciolina a gocciolina in sequenza 1-2-3 o in direzione opposta (3-2-1).

Una gocciolina in cui procede la reazione di Belousov-Zhabotinsky si eccita rapidamente, ma impiega molto più tempo per tornare al suo stato iniziale e solo allora può eccitarsi di nuovo. Quindi se nella modalità 1-2-3 l'eccitazione dovesse raggiungere la goccia tre troppo velocemente, non passerebbe alla gocciolina uno per iniziare un nuovo ciclo, perché goccia uno non avrebbe abbastanza tempo per 'riposare'. Di conseguenza, la modalità di rotazione scomparirebbe. I ricercatori dell'IPC PAS erano interessati solo alle modalità di rotazione capaci di ripetizioni multiple del ciclo di eccitazioni. Avevano un ulteriore vantaggio:i fronti chimici che circolano tra le goccioline assomigliano a un'onda a spirale, e onde di questo tipo sono caratterizzate da una maggiore stabilità.

Gli esperimenti hanno mostrato che entrambi i modi di rotazione studiati sono stabili, e se un sistema entra in uno di essi, rimane fino alla cessazione della reazione Belousov-Zhabotinsky. È stato inoltre dimostrato che selezionando correttamente il tempo e la durata dell'illuminazione delle gocce appropriate, il senso di rotazione delle eccitazioni può essere modificato. Il sistema di triplette di goccioline, con più fronti chimici, era quindi in grado di memorizzare in modo permanente uno dei due stati logici.

"Infatti, la nostra punta chimica ha un potenziale leggermente maggiore rispetto alla punta classica. I modi di rotazione che abbiamo usato per registrare gli stati zero e uno avevano i periodi di oscillazione più brevi di 18,7 e 19,5 secondi, rispettivamente. Quindi, se il sistema oscillasse più lentamente, potremmo parlare di un terzo stato logico aggiuntivo, " ha commentato il dottor Gizynski, e osserva che questo terzo stato potrebbe essere utilizzato, Per esempio, per verificare la correttezza del verbale.

La ricerca sulla memoria costituita da goccioline oscillanti era di natura basilare e serviva solo a dimostrare che è possibile una memorizzazione stabile delle informazioni mediante reazioni chimiche. Le reazioni di memoria appena formate erano responsabili solo della memorizzazione delle informazioni, mentre la sua registrazione e lettura richiedevano metodi fisici. Probabilmente passeranno molti anni prima che una memoria chimica pienamente funzionante possa essere costruita come parte di un futuro computer chimico.