(PhysOrg.com) -- I circuiti che possono eseguire operazioni logiche con la semplice pressione di un pulsante sono una dozzina di questi giorni, ma una svolta dei ricercatori negli Stati Uniti ha significato che possono essere più piccoli e più semplici che mai. Utilizzando per la prima volta un unico materiale sia come pulsante che come circuito, gli scienziati del Georgia Institute of Technology hanno creato minuscoli circuiti logici che possono essere utilizzati come base per robotica e processori su scala nanometrica.
Professor Zhong Lin (ZL) Wang, chi conduce la ricerca, spiega come le proprietà peculiari dell'ossido di zinco hanno reso possibile questo lavoro. "L'ossido di zinco è unico per le sue proprietà piezoelettriche e semiconduttrici accoppiate". L'effetto piezoelettrico si verifica quando una deformazione su un materiale, causato spingendolo ad esempio, cambia in modo reversibile la struttura cristallina in una direzione abbastanza da creare un campo elettrico.
Il movimento meccanico induce una tensione da un lato all'altro del materiale. I semiconduttori hanno la capacità di condurre elettricità, o no, dipende da qualche fattore esterno. Nell'ossido di zinco, queste due caratteristiche si combinano e il trasporto di corrente elettrica è influenzato dall'effetto piezoelettrico, il che significa che i cambiamenti nella deformazione provocano cambiamenti nella capacità del materiale di condurre elettricità. Questo è ciò che è noto come effetto piezotronico.
Avendo l'ossido di zinco sotto forma di un nanofilo, (diametro 300 nanometri; lunghezza 400 micrometri), e legato con metalli a ciascuna estremità, Wang ha effettivamente prodotto un minuscolo transistor, che è recintato (aperto o chiuso, con elettricità che scorre o meno) dalla tensione applicata al nanofilo.
Nei risultati pubblicati in Materiale avanzato questa settimana, Wang e i suoi colleghi mostrano come combinando un numero appropriato di questi transistor in varie disposizioni, possono essere realizzati sistemi in grado di elaborare le funzioni logiche di base della NAND, NÉ, e XOR, oltre a fungere da multiplexer (MUX) e demultiplexor (DEMUX).
Fino ad ora, i processori logici hanno fatto affidamento sull'uso della tecnologia CMOS, utilizzando due componenti complementari, un ossido metallico e un semiconduttore, come il silicio. Nei processori CMOS, è necessario un segnale elettrico per azionare il cancello. Se è richiesto uno stimolo meccanico, ancora un ulteriore componente deve essere aggiunto al sistema. Al contrario, Wang afferma che il suo lavoro rappresenta un "nuovo approccio verso il funzionamento logico che esegue azioni accoppiate e controllate meccanico-elettriche in un'unità strutturale utilizzando un singolo materiale (che è l'ossido di zinco) ... Questa è la primissima dimostrazione del funzionamento elettronico indotto dall'azione meccanica". con l'introduzione di un nuovo meccanismo di guida rispetto alle operazioni logiche basate sul silicio esistenti. Questa è anche la prima dimostrazione del suo genere che utilizza i nanofili”.
Lavorare su scala nanometrica presenta le proprie sfide, e le parti più difficili di questo lavoro sono state la sintesi di nanofili di alta qualità e la loro manipolazione sul substrato in modo che funzionino in modo sincronizzato. Ma Wang ora è fiducioso di aver ottenuto un buon controllo sul processo, e i risultati testimoniano che è così.
I circuiti logici non sono veloci come quelli attualmente in uso e basati su CMOS, ma Wang non vede questo come un problema. Infatti, vede le applicazioni delle due tecnologie come complementari. “I dispositivi logici strain-gated sono progettati per interfacciarsi con l'ambiente circostante, che è associato ad azioni meccaniche a bassa frequenza, e le applicazioni mirate e mirate sono diverse da quelle dei dispositivi al silicio convenzionali che mirano alla velocità”. Le applicazioni previste includono nanorobotica, trasduttori, micromacchine, interfaccia uomo-computer, e microfluidica (dove minuscoli canali trasportano vari liquidi, solitamente da miscelare per modalità di reazione strettamente controllate).
Il gruppo intende unire i nuovi trasduttori strain-gated a sensori e componenti per l'assorbimento di energia che hanno precedentemente preparato anche da nanofili di ossido di zinco per rendere "auto-sostenibile, tutto basato su nanofili, sistemi multifunzionali autonomi intelligenti su nanoscala autoalimentati.” Sembra che non avremo più nemmeno bisogno di premere un pulsante.
