Fortaleciendo la idea de computadoras basadas en fluidos en lugar de silicio, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado cómo se pueden realizar operaciones de lógica computacional en un medio líquido simulando la captura de iones (átomos cargados) en grafeno (una hoja de átomos de carbono) flotando en una solución salina. El esquema también se puede utilizar en aplicaciones como la filtración de agua, almacenamiento de energía o tecnología de sensores.

La idea de utilizar un medio líquido para la informática ha existido durante décadas, y se han propuesto varios enfoques. Entre sus posibles ventajas, este enfoque requeriría muy poco material y sus componentes blandos podrían adaptarse a formas personalizadas en, por ejemplo, el cuerpo humano.

Las operaciones lógicas y de transistores basados ​​en iones de NIST son más simples en concepto que las propuestas anteriores. Las nuevas simulaciones muestran que una película especial sumergida en líquido puede actuar como un semiconductor sólido a base de silicio. Por ejemplo, el material puede actuar como un transistor, el interruptor que realiza operaciones lógicas digitales en una computadora. La película se puede encender y apagar ajustando los niveles de voltaje como los inducidos por las concentraciones de sal en los sistemas biológicos.

"Los dispositivos anteriores eran mucho más elaborados y complejos, "El teórico del NIST Alex Smolyanitsky dijo." Lo que logra este enfoque de captura de iones es la simplicidad conceptual. Además, exactamente el mismo dispositivo puede actuar como un transistor y un dispositivo de memoria; todo lo que tiene que hacer es cambiar la entrada y la salida. Esta es una característica que proviene directamente de la captura de iones ".

Las simulaciones de dinámica molecular del NIST se centraron en una hoja de grafeno de 5,5 por 6,4 nanómetros (nm) de tamaño y con uno o más pequeños agujeros revestidos con átomos de oxígeno. Estos poros se asemejan a los éteres corona, moléculas circulares eléctricamente neutras conocidas por atrapar iones metálicos. El grafeno es una hoja de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, similar en forma al alambre de gallinero, que conduce electricidad y podría usarse para construir circuitos. Este diseño hexagonal parecería prestarse a los poros, y de hecho, otros investigadores han creado recientemente agujeros en forma de corona en el grafeno en el laboratorio.

En las simulaciones de NIST, el grafeno se suspendió en agua que contenía cloruro de potasio, una sal que se divide en iones de sodio y potasio. Los poros del éter corona fueron diseñados para atrapar iones de potasio, que tienen una carga positiva. Las simulaciones muestran que atrapar un solo ión de potasio en cada poro evita la penetración de iones sueltos adicionales a través del grafeno. y que la actividad de atrapamiento y penetración se puede ajustar aplicando diferentes niveles de voltaje a través de la membrana, creando operaciones lógicas con 0 y 1 (consulte el cuadro de texto a continuación).

Los iones atrapados en los poros no solo bloquean la penetración adicional de iones, sino que también crean una barrera eléctrica alrededor de la membrana. A solo 1 nm de la membrana, este campo eléctrico aumenta la barrera, o la energía necesaria para que un ion pase, 30 milivoltios (mV) por encima de la membrana misma.

La aplicación de voltajes de menos de 150 mV a través de la membrana "apaga" cualquier penetración. Esencialmente, a bajas tensiones, la membrana está bloqueada por los iones atrapados, mientras que el proceso de iones sueltos que eliminan los iones atrapados probablemente sea suprimido por la barrera eléctrica. La penetración de la membrana se enciende a voltajes de 300 mV o más. A medida que aumenta el voltaje, la probabilidad de perder iones atrapados aumenta y los eventos de knockout se vuelven más comunes, alentado por el debilitamiento de la barrera eléctrica. De este modo, la membrana actúa como un semiconductor en el transporte de iones de potasio.

Para hacer dispositivos reales, Los poros del éter de la corona tendrían que fabricarse de manera confiable en muestras físicas de grafeno u otros materiales que tengan solo unos pocos átomos de espesor y conduzcan la electricidad. Otros materiales pueden ofrecer estructuras y funciones atractivas. Por ejemplo, Los dicalcogenuros de metales de transición (un tipo de semiconductor) podrían usarse porque son susceptibles de una variedad de estructuras de poros y capacidades para repeler el agua.

Realización de una operación lógica en líquido

Las simulaciones del NIST mostraron que la captura de iones depende del voltaje a través de la membrana porosa de grafeno, sugiriendo la posibilidad de realizar operaciones lógicas simples basadas en iones. Con una concentración de sal suficientemente baja, El régimen altamente conductivo (encendido) de la membrana coincide con una baja ocupación de iones atrapados, y viceversa. Medición eléctrica directa del voltaje de la membrana, que podría utilizarse en un circuito eléctrico, es lo que se conoce como operación de "lectura".

Si un voltaje bajo, denotado 0, se aplica a través de la membrana con la concentración de sal adecuada, la membrana es casi no conductora (apagada) y sus poros están completamente ocupados por los iones atrapados. Por lo tanto, la carga en el circuito de grafeno, medido en la membrana, es relativamente alto, denotado como 1. A la inversa, cuando alto voltaje (más de 300 mV), denotado 1, Está aplicado, la membrana es altamente conductora (encendida), menos iones quedan atrapados, y así se mide un estado de energía bajo (0) en la propia membrana.

La relación entrada-salida puede verse como una operación o puerta NO lógica, en el que se invierten los valores de entrada y salida. Si entra 0, luego sale 1, y viceversa. Con dos láminas de grafeno sería posible una operación lógica OR (XOR). En este caso, el valor de salida, o la diferencia entre los dos estados de la membrana, es 1 solo cuando cualquiera de las dos hojas es altamente conductora. Dicho de otra manera la salida es 1 si las entradas son diferentes, pero 0 si las dos entradas son idénticas.

Incluso una pequeña variación en el voltaje aplicado da como resultado un cambio relativamente grande en la carga o corriente potencial de la membrana, sugiriendo que la conmutación sensible puede ser posible. Por lo tanto, el atrapamiento de iones sintonizable por voltaje en los poros de la corona podría usarse para almacenar información, y simple, sin embargo, se podrían usar transistores iónicos sensibles para realizar operaciones lógicas sofisticadas en dispositivos de computación nanofluídicos.