(Sinistra) La struttura della molecola FG-DTE, che è composto da tre fotocromi che possono commutare tra due diversi stati quando irradiati con luce di diverse lunghezze d'onda. (A destra) Una lista di controllo di alcune delle caratteristiche del dispositivo di logica molecolare completamente fotonico. Credito immagine:Joakim Andréasson, et al. ©2011 Società Chimica Americana.
(PhysOrg.com) - Sebbene le molecole siano già state utilizzate per eseguire singole operazioni logiche, gli scienziati hanno ora dimostrato che una singola molecola può eseguire 13 operazioni logiche, alcuni di loro in parallelo. La molecola, che consiste di tre cromofori, è gestito da diverse lunghezze d'onda della luce. Gli scienziati prevedono che questo sistema, con il suo livello di complessità senza precedenti, potrebbe servire come elemento costitutivo del calcolo molecolare, in cui le molecole anziché gli elettroni vengono utilizzate per elaborare e manipolare le informazioni.
Gli scienziati e gli ingegneri, Joakim Andréasson della Chalmers University of Technology di Göteborg, Svezia; Uwe Pischel dell'Università di Huelva, Spagna; e Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, e Devens Gust dell'Arizona State University, hanno pubblicato il loro studio chiamato "All-Photonic Multifunctional Molecular Logic Devices" in un recente numero del Giornale della Società Chimica Americana .
“Mentre i precedenti esempi di sistemi di logica molecolare sono stati in grado di realizzare uno, o alcune operazioni logiche diverse, questa molecola può essere riconfigurata per eseguire 13 semplicemente modificando le lunghezze d'onda di ingresso o di uscita, "Gust ha detto PhysOrg.com . “Inoltre, utilizza la luce per tutti gli ingressi e le uscite, che evita alcuni dei problemi incontrati quando si utilizzano sostanze chimiche come input”.
Generalmente, i cromofori sono le parti di una molecola che assorbono la luce di lunghezze d'onda specifiche mentre trasmettono altre lunghezze d'onda, e sono responsabili del colore della molecola. Quando i cromofori possono essere commutati tra due diversi stati venendo irradiati con luce di diverse lunghezze d'onda, hanno la capacità di eseguire operazioni logiche binarie e fungono efficacemente da transistor. Questi fotocommutabili, i cromofori bistabili sono chiamati fotocromi.
Le due forme che ogni fotocromo può assumere rappresentano i due stati che servono come base per eseguire operazioni logiche binarie. Varie combinazioni dei tre fotocromi in diverse forme isomeriche possono essere utilizzate per eseguire l'aritmetica binaria, come addizioni e sottrazioni. Sebbene i precedenti sistemi a base molecolare abbiano eseguito l'aritmetica binaria, la molecola FG-DTE è la prima che può eseguire queste operazioni utilizzando solo due ingressi:luce con lunghezze d'onda di 302 nm e 397 nm. Anche, tutti e tre i fotocromi possono essere ripristinati mediante irradiazione di luce verde (460-590 nm). Queste caratteristiche consentono alla molecola di eseguire addizioni e sottrazioni in parallelo, semplicemente facendo convertire alla luce i fotocromi in diverse forme isomeriche.
“Tutte queste 13 operazioni logiche condividono lo stesso stato iniziale, questo è, la molecola viene sempre "ripristinata" allo stesso stato mediante l'uso della luce verde, indipendentemente da quale funzione logica deve essere eseguita, ” ha detto Andreasson. "Questa è un'altra caratteristica unica della nostra molecola".
I ricercatori hanno anche dimostrato che la molecola FG-DTE può svolgere funzioni non aritmetiche. Per esempio, come multiplexer digitale, la molecola può fungere da imitazione di un interruttore rotante meccanico per collegare uno qualsiasi dei numerosi ingressi a un'uscita. Come demultiplatore, la molecola può separare due segnali che sono stati multiplexati in un'unica uscita.
Ulteriore, la molecola FG-DTE può svolgere funzioni logiche sequenziali, in cui gli input devono essere applicati nell'ordine corretto, come per un blocco tastiera. La molecola può anche funzionare come porta di trasferimento trasferendo lo stato di un input a quello di un output, che è utile per operazioni computazionali complicate. I ricercatori hanno anche dimostrato che la molecola può fungere da codificatore e decodificatore, comprimendo le informazioni digitali per la trasmissione o l'archiviazione, e quindi recuperare le informazioni nella loro forma originale.
Mentre ciascuna di queste singole operazioni logiche è stata precedentemente eseguita da sistemi molecolari, la molecola FG-DTE è la prima ad unirli tutti in un'unica piattaforma molecolare. I transistor e altri dispositivi logici più tradizionali non hanno la stessa flessibilità funzionale, che i ricercatori attribuiscono alla capacità dei cromofori di rispondere in modo diverso alle diverse lunghezze d'onda della luce e di influenzare le proprietà reciproche.
Per quanto riguarda le applicazioni, i ricercatori notano che è improbabile che tali dispositivi molecolari sostituiranno presto i computer elettronici, ma potrebbero avere applicazioni in nanotecnologia e biomedicina, come per l'archiviazione dei dati, etichettatura e tracciabilità di micro-oggetti, e rilascio programmato del farmaco.
“Nel breve termine, dispositivi di logica molecolare completeranno, piuttosto che competere con, dispositivi elettronici, ” ha detto Gust. “In linea di principio, il calcolo molecolare potrebbe essere implementato con interruttori di dimensioni estremamente ridotte, poiché le unità operative sono molecole. I dispositivi molecolari azionati fotonicamente come quello che descriviamo possono anche essere facilmente riconfigurati per eseguire una varietà di diverse funzioni logiche, può funzionare ad alta velocità, e può essere disposto in tre dimensioni, piuttosto che le disposizioni planari che si trovano solitamente nell'elettronica.
“I dispositivi a logica molecolare possono essere impiegati dove quelli elettronici non possono, ” ha aggiunto. “Ad esempio, possono essere utilizzati per etichettare e tracciare nanoparticelle e componenti su nanoscala di organismi biologici. D'altra parte, la maggior parte dei fotocromi attualmente non è sufficientemente stabile per resistere al gran numero di cicli necessari per un utile calcolo su vasta scala. Inoltre, l'elaborazione complessa richiederà modi convenienti per consentire ai dispositivi logici su scala nanometrica di comunicare tra loro".
“Inoltre, l'applicazione della logica molecolare nei sistemi biologici, come il corpo umano, è ancora relativamente inesplorato, sebbene i sistemi molecolari siano più adatti a questo scopo rispetto ai dispositivi elettronici, ” ha detto Andreasson.
Nel futuro, i ricercatori intendono affrontare alcune delle maggiori sfide che la logica molecolare deve affrontare, come l'efficiente cablaggio (concatenazione) degli interruttori logici.
“Una delle maggiori sfide della logica molecolare è la concatenazione di operazioni logiche, ” ha detto Gust. “In elettronica, questo può essere fatto semplicemente collegando l'uscita di un elemento all'ingresso del successivo. Dobbiamo trovare modi per ottenere risultati simili nelle molecole”.
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