Rinvigorendo l'idea di computer basati su fluidi invece che sul silicio, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno mostrato come le operazioni di logica computazionale potrebbero essere eseguite in un mezzo liquido simulando l'intrappolamento di ioni (atomi carichi) nel grafene (un foglio di atomi di carbonio) che galleggia in soluzione salina. Lo schema potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni come la filtrazione dell'acqua, accumulo di energia o tecnologia dei sensori.

L'idea di utilizzare un mezzo liquido per l'informatica esiste da decenni, e sono stati proposti vari approcci. Tra i suoi potenziali vantaggi, questo approccio richiederebbe pochissimo materiale e i suoi componenti morbidi potrebbero conformarsi a forme personalizzate in, Per esempio, il corpo umano.

I transistor basati su ioni del NIST e le operazioni logiche sono concettualmente più semplici rispetto alle proposte precedenti. Le nuove simulazioni mostrano che un film speciale immerso in un liquido può agire come un solido semiconduttore a base di silicio. Per esempio, il materiale può agire come un transistor, l'interruttore che esegue operazioni di logica digitale in un computer. Il film può essere acceso e spento regolando i livelli di tensione come quelli indotti dalle concentrazioni di sale nei sistemi biologici.

"I dispositivi precedenti erano molto più elaborati e complessi, Il teorico del NIST Alex Smolyanitsky ha detto. "Ciò che ottiene questo approccio di intrappolamento ionico è la semplicità concettuale. Inoltre, lo stesso dispositivo esatto può fungere sia da transistor che da dispositivo di memoria:tutto ciò che devi fare è scambiare l'ingresso e l'uscita. Questa è una caratteristica che deriva direttamente dall'intrappolamento ionico".

Le simulazioni di dinamica molecolare del NIST si sono concentrate su un foglio di grafene di dimensioni 5,5 x 6,4 nanometri (nm) e con uno o più piccoli fori rivestiti con atomi di ossigeno. Questi pori assomigliano agli eteri della corona, molecole circolari elettricamente neutre note per intrappolare ioni metallici. Il grafene è un foglio di atomi di carbonio disposti in esagoni, simile nella forma al filo di pollo, che conduce elettricità e potrebbe essere utilizzato per costruire circuiti. Questo disegno esagonale sembrerebbe prestarsi ai pori, e infatti, altri ricercatori hanno recentemente creato fori a forma di corona nel grafene in laboratorio.

Nelle simulazioni NIST, il grafene è stato sospeso in acqua contenente cloruro di potassio, un sale che si scinde in ioni potassio e sodio. I pori dell'etere della corona sono stati progettati per intrappolare ioni potassio, che hanno carica positiva. Le simulazioni mostrano che l'intrappolamento di un singolo ione potassio in ciascun poro impedisce la penetrazione di ulteriori ioni sciolti attraverso il grafene, e che l'attività di intrappolamento e penetrazione può essere regolata applicando diversi livelli di tensione attraverso la membrana, creazione di operazioni logiche con 0 e 1 (vedere la casella di testo sotto).

Gli ioni intrappolati nei pori non solo bloccano la penetrazione di ioni aggiuntivi, ma creano anche una barriera elettrica attorno alla membrana. A solo 1 nm di distanza dalla membrana, questo campo elettrico aumenta la barriera, o energia necessaria per il passaggio di uno ione, di 30 millivolt (mV) al di sopra di quello della membrana stessa.

L'applicazione di tensioni inferiori a 150 mV attraverso la membrana "disattiva" qualsiasi penetrazione. Essenzialmente, a bassa tensione, la membrana è bloccata dagli ioni intrappolati, mentre il processo degli ioni liberi che eliminano gli ioni intrappolati è probabilmente soppresso dalla barriera elettrica. La penetrazione della membrana è attivata a tensioni di 300 mV o più. All'aumentare della tensione, la probabilità di perdere ioni intrappolati aumenta e gli eventi knockout diventano più comuni, incoraggiato dall'indebolimento della barriera elettrica. In questo modo, la membrana agisce come un semiconduttore nel trasporto di ioni potassio.

Per realizzare dispositivi reali, i pori dell'etere corona dovrebbero essere fabbricati in modo affidabile in campioni fisici di grafene o altri materiali che hanno uno spessore di pochi atomi e conducono elettricità. Altri materiali possono offrire strutture e funzioni attraenti. Per esempio, dicalcogenuri di metalli di transizione (un tipo di semiconduttore) potrebbero essere utilizzati perché sono suscettibili di una serie di strutture porose e capacità di respingere l'acqua.

Eseguire un'operazione logica in un liquido

Le simulazioni NIST hanno mostrato che l'intrappolamento ionico dipende dalla tensione attraverso la membrana porosa del grafene, suggerendo la possibilità di eseguire semplici operazioni logiche basate su ioni. A una concentrazione di sale sufficientemente bassa, il regime altamente conduttivo (acceso) della membrana coincide con una bassa occupazione di ioni intrappolati, e viceversa. Misura elettrica diretta della tensione della membrana, che potrebbe essere utilizzato in un circuito elettrico, è ciò che è noto come operazione di "lettura".

Se una bassa tensione, indicato con 0, viene applicato attraverso la membrana con un'adeguata concentrazione di sale, la membrana è quasi non conduttiva (spenta) ei suoi pori sono completamente occupati dagli ioni intrappolati. Perciò, la carica nel circuito del grafene, misurato alla membrana, è relativamente alto, indicato come 1. Viceversa, quando l'alta tensione (più di 300 mV), indicato 1, viene applicata, la membrana è altamente conduttiva (accesa), meno ioni sono intrappolati, e quindi viene misurato uno stato di energia basso (0) nella membrana stessa.

La relazione ingresso-uscita può essere vista come una porta o un'operazione NON logica, in cui i valori di input e output sono invertiti. Se entra 0, poi esce 1, e viceversa. Con due fogli di grafene sarebbe possibile un'operazione logica OR (XOR). In questo caso, il valore di uscita, o la differenza tra i due stati di membrana, è 1 solo quando uno dei due fogli è altamente conduttivo. Detto in altro modo, l'uscita è 1 se gli ingressi sono diversi ma 0 se i due ingressi sono identici.

Anche una piccola variazione nella tensione applicata si traduce in un cambiamento relativamente grande nella potenziale carica o corrente della membrana, suggerendo che potrebbe essere possibile una commutazione sensibile. Così, l'intrappolamento ionico regolabile in tensione nei pori della corona potrebbe essere utilizzato per memorizzare informazioni, e semplice, tuttavia transistor ionici sensibili potrebbero essere utilizzati per eseguire sofisticate operazioni logiche in dispositivi di calcolo nanofluidici.