En un descubrimiento publicado en la revista Naturaleza, un equipo internacional de investigadores ha descrito un dispositivo molecular novedoso con una destreza informática excepcional.

Con reminiscencias de la plasticidad de las conexiones en el cerebro humano, el dispositivo se puede reconfigurar sobre la marcha para diferentes tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Es más, como las células nerviosas pueden almacenar recuerdos, el mismo dispositivo también puede retener información para su futura recuperación y procesamiento.

"El cerebro tiene la notable capacidad de cambiar su cableado estableciendo y rompiendo conexiones entre las células nerviosas. Lograr algo comparable en un sistema físico ha sido extremadamente desafiante, "dijo el Dr. R. Stanley Williams, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad A&M de Texas. "Ahora hemos creado un dispositivo molecular con una capacidad de reconfiguración espectacular, que se logra no cambiando las conexiones físicas como en el cerebro, sino reprogramando su lógica ".

Dr. T. Venkatesan, director del Centro de Investigación y Tecnología Cuántica (CQRT) de la Universidad de Oklahoma, Afiliado científico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Gaithersburg, y profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Nacional de Singapur, agregó que su dispositivo molecular podría ayudar en el futuro a diseñar chips de procesamiento de próxima generación con mayor velocidad y potencia computacional, pero consumiendo energía significativamente reducida.

Ya sea una computadora portátil familiar o una supercomputadora sofisticada, las tecnologías digitales se enfrentan a una némesis común, el cuello de botella de von Neumann. Este retraso en el procesamiento computacional es una consecuencia de las arquitecturas informáticas actuales, donde la memoria, que contiene datos y programas, está físicamente separado del procesador. Como resultado, las computadoras pasan una cantidad significativa de tiempo transportando información entre los dos sistemas, causando el cuello de botella. También, a pesar de las velocidades de procesador extremadamente rápidas, estas unidades pueden estar inactivas durante períodos prolongados durante los períodos de intercambio de información.

Como alternativa a las piezas electrónicas convencionales utilizadas para diseñar unidades de memoria y procesadores, Los dispositivos llamados memristores ofrecen una forma de sortear el cuello de botella de von Neumann. Memistores, como los hechos de dióxido de niobio y dióxido de vanadio, transición de ser un aislante a un conductor a una temperatura establecida. Esta propiedad otorga a estos tipos de memristores la capacidad de realizar cálculos y almacenar datos.

Sin embargo, a pesar de sus muchas ventajas, Estos memristores de óxido metálico están hechos de elementos de tierras raras y solo pueden funcionar en regímenes de temperatura restrictivos. Por eso, ha habido una búsqueda continua de moléculas orgánicas prometedoras que puedan realizar una función memristiva comparable, dijo Williams.

Dr. Sreebrata Goswami, profesor de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia, diseñó el material utilizado en este trabajo. El compuesto tiene un átomo de metal central (hierro) unido a tres moléculas orgánicas de fenil azo piridina llamadas ligandos.

"Esto se comporta como una esponja de electrones que puede absorber hasta seis electrones de manera reversible, resultando en siete estados redox diferentes, ", dijo Sreebrata." La interconectividad entre estos estados es la clave detrás de la reconfigurabilidad mostrada en este trabajo ".

Dr. Sreetosh Goswami, investigador de la Universidad Nacional de Singapur, ideó este proyecto creando un pequeño circuito eléctrico que consiste en una capa de 40 nanómetros de película molecular intercalada entre una capa de oro en la parte superior y un nanodisco con infusión de oro y óxido de indio y estaño en la parte inferior.

Al aplicar un voltaje negativo en el dispositivo, Sreetosh presenció un perfil de voltaje de corriente que no se parecía en nada a lo que nadie había visto antes. A diferencia de los memristores de óxido metálico que pueden cambiar de metal a aislante con un solo voltaje fijo, los dispositivos moleculares orgánicos podrían alternar entre aisladores y conductores a varios voltajes secuenciales discretos.

"Entonces, si piensa en el dispositivo como un interruptor de encendido y apagado, mientras barríamos el voltaje más negativo, el dispositivo primero cambió de encendido a apagado, luego de apagado a encendido, luego de encendido a apagado y luego de nuevo a encendido. Diré que nos volaron de nuestro asiento ", dijo Venkatesan." Tuvimos que convencernos de que lo que estábamos viendo era real ".

Sreetosh y Sreebrata investigaron los mecanismos moleculares subyacentes al curioso comportamiento de conmutación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de la molécula orgánica que pudieran explicar las múltiples transiciones. Su investigación reveló que barrer el voltaje negativo provocó que los ligandos en la molécula se sometieran a una serie de reducción, o ganancia de electrones, eventos que hicieron que la molécula cambiara entre el estado desactivado y el estado activado.

Próximo, describir matemáticamente el perfil de corriente-voltaje extremadamente complejo del dispositivo molecular, Williams se desvió del enfoque convencional de ecuaciones basadas en la física básica. En lugar de, describió el comportamiento de las moléculas usando un algoritmo de árbol de decisión con declaraciones "si-entonces-si no", una línea de código común en varios programas de computadora, particularmente juegos digitales.

"Los videojuegos tienen una estructura en la que tienes un personaje que hace algo, y luego ocurre algo como resultado. Y entonces, si escribe eso en un algoritmo informático, son declaraciones if-then-else, "dijo Williams." Aquí, la molécula está cambiando de encendido a apagado como consecuencia del voltaje aplicado, y fue entonces cuando tuve el momento eureka de usar árboles de decisión para describir estos dispositivos, y funcionó muy bien ".

Pero los investigadores dieron un paso más al explotar estos dispositivos moleculares para ejecutar programas para diferentes tareas computacionales del mundo real. Sreetosh demostró experimentalmente que sus dispositivos podían realizar cálculos bastante complejos en un solo paso de tiempo y luego reprogramarse para realizar otra tarea en el siguiente instante.

"Fue bastante extraordinario; nuestro dispositivo estaba haciendo algo como lo que hace el cerebro, pero de una manera muy diferente, ", dijo Sreetosh." Cuando estás aprendiendo algo nuevo o cuando estás decidiendo, el cerebro en realidad puede reconfigurar y cambiar el cableado físico. Similar, lógicamente podemos reprogramar o reconfigurar nuestros dispositivos dándoles un pulso de voltaje diferente al que han visto antes ".

Venkatesan señaló que se necesitarían miles de transistores para realizar las mismas funciones computacionales que uno de sus dispositivos moleculares con sus diferentes árboles de decisión. Por eso, dijo que su tecnología podría usarse primero en dispositivos portátiles, como teléfonos móviles y sensores, y otras aplicaciones donde la energía es limitada.

Otros contribuyentes a la investigación incluyen al Dr. Abhijeet Patra y al Dr. Ariando de la Universidad Nacional de Singapur; El Dr. Rajib Pramanick y el Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia; Dr. Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; y el Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick, Irlanda.

Venkatesan dijo que esta investigación es indicativa de los futuros descubrimientos de este equipo colaborativo, que incluirá el centro de nanociencia e ingeniería del Instituto Indio de Ciencia y la División de Microsistemas y Nanotecnología del NIST.