(Izquierda) La estructura de la molécula FG-DTE, que está compuesto por tres fotocromos que pueden cambiar entre dos estados diferentes cuando se irradian con luz de diferentes longitudes de onda. (Derecha) Una lista de verificación de algunas de las características del dispositivo lógico molecular totalmente fotónico. Crédito de la imagen:Joakim Andréasson, et al. © 2011 Sociedad Química Estadounidense.
(PhysOrg.com) - Si bien las moléculas ya se han utilizado para realizar operaciones lógicas individuales, Los científicos ahora han demostrado que una sola molécula puede realizar 13 operaciones lógicas, algunos de ellos en paralelo. La molécula, que consta de tres cromóforos, es operado por diferentes longitudes de onda de luz. Los científicos predicen que este sistema, con su nivel de complejidad sin precedentes, podría servir como un componente básico de la computación molecular, en el que se utilizan moléculas en lugar de electrones para procesar y manipular información.
Los científicos e ingenieros, Joakim Andréasson de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Göteborg, Suecia; Uwe Pischel de la Universidad de Huelva, España; y Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, y Devens Gust de la Universidad Estatal de Arizona, han publicado su estudio llamado "Dispositivos lógicos moleculares multifuncionales totalmente fotónicos" en un número reciente de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
“Si bien los ejemplos anteriores de sistemas lógicos moleculares han podido llevar a cabo uno, o algunas operaciones lógicas diferentes, esta molécula se puede reconfigurar para realizar 13 simplemente cambiando las longitudes de onda de entrada o salida, "Dijo Gust PhysOrg.com . "Además, utiliza luz para todas las entradas y salidas, lo que evita algunos de los problemas que surgen al utilizar productos químicos como insumos ".
En general, Los cromóforos son las partes de una molécula que absorben luz de longitudes de onda específicas mientras transmiten otras longitudes de onda. y son responsables del color de la molécula. Cuando los cromóforos se pueden cambiar entre dos estados diferentes al ser irradiados con luz de diferentes longitudes de onda, tienen la capacidad de realizar operaciones lógicas binarias y sirven efectivamente como transistores. Estas fotos conmutables, Los cromóforos biestables se denominan fotocromos.
Las dos formas que puede tomar cada fotocromo representan los dos estados que sirven de base para realizar operaciones lógicas binarias. Se pueden usar varias combinaciones de los tres fotocromos en diferentes formas isoméricas para realizar aritmética binaria, como la suma y la resta. Aunque los sistemas anteriores de base molecular han realizado aritmética binaria, la molécula FG-DTE es la primera que puede realizar estas operaciones utilizando solo dos entradas:luz con longitudes de onda de 302 nm y 397 nm. También, los tres fotocromos se pueden restablecer mediante irradiación de luz verde (460-590 nm). Estas características permiten que la molécula realice sumas y restas en paralelo, simplemente haciendo que la luz convierta los fotocromos en diferentes formas isoméricas.
"Todas estas 13 operaciones lógicas comparten el mismo estado inicial, es decir, la molécula siempre se "restablece" al mismo estado mediante el uso de luz verde, independientemente de la función lógica que deba realizarse, ”Dijo Andréasson. "Esta es otra característica única de nuestra molécula".
Los investigadores también demostraron que la molécula FG-DTE puede realizar funciones no aritméticas. Por ejemplo, como multiplexor digital, la molécula puede actuar como un imitador de un interruptor giratorio mecánico para conectar cualquiera de varias entradas a una salida. Como demultiplexor, la molécula puede separar dos señales que se han multiplexado en una salida.
Más lejos, la molécula de FG-DTE puede realizar funciones lógicas secuenciales, en el que las entradas deben aplicarse en el orden correcto, como para un bloqueo de teclado. La molécula también puede operar como una puerta de transferencia transfiriendo el estado de una entrada al de una salida, que es útil para operaciones computacionales complicadas. Los investigadores también demostraron que la molécula puede actuar como codificador y decodificador, comprimiendo información digital para su transmisión o almacenamiento, y luego recuperar la información en su forma original.
Si bien cada una de estas operaciones lógicas individuales ha sido realizada previamente por sistemas moleculares, la molécula FG-DTE es la primera en unirlos a todos en una única plataforma molecular. Los transistores y otros dispositivos lógicos más tradicionales no tienen la misma flexibilidad funcional, que los investigadores atribuyen a la capacidad de los cromóforos para responder de manera diferente a diferentes longitudes de onda de luz e influir en las propiedades de los demás.
En cuanto a aplicaciones, los investigadores señalan que es poco probable que tales dispositivos moleculares pronto reemplacen a las computadoras electrónicas, pero podrían tener aplicaciones en nanotecnología y biomedicina, como para el almacenamiento de datos, etiquetado y seguimiento de microobjetos, y liberación programada de fármacos.
"A corto plazo, los dispositivos de lógica molecular complementarán, en lugar de competir con, dispositivos electrónicos, —Dijo Gust. "En principio, La computación molecular podría implementarse con tamaños de conmutador extremadamente pequeños, ya que las unidades operativas son moléculas. Los dispositivos moleculares operados fotónicamente, como el que describimos, también se pueden reconfigurar fácilmente para realizar una variedad de funciones lógicas diferentes, puede funcionar a altas velocidades, y se puede disponer en tres dimensiones, en lugar de las disposiciones planas que normalmente se encuentran en la electrónica.
“Se pueden emplear dispositivos de lógica molecular donde los electrónicos no pueden, ”Añadió. "Por ejemplo, se pueden utilizar para etiquetar y rastrear nanopartículas y componentes a nanoescala de organismos biológicos. Por otra parte, la mayoría de los fotocromos actualmente no son lo suficientemente estables para resistir la gran cantidad de ciclos necesarios para una computación útil a gran escala. Además, la computación compleja requerirá formas convenientes para que los dispositivos lógicos a nanoescala se comuniquen entre sí ".
"Además, la aplicación de la lógica molecular en sistemas biológicos, como el cuerpo humano, todavía está relativamente inexplorado, aunque los sistemas moleculares son más adecuados para este propósito en comparación con los dispositivos electrónicos, ”Dijo Andréasson.
En el futuro, los investigadores planean abordar algunos de los mayores desafíos que enfrenta la lógica molecular, como el cableado eficiente (concatenación) de interruptores lógicos.
“Uno de los mayores desafíos de la lógica molecular es la concatenación de operaciones lógicas, —Dijo Gust. "En electrónica, esto se puede hacer simplemente conectando la salida de un elemento a la entrada del siguiente. Necesitamos encontrar formas de lograr resultados similares en moléculas ".
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