(Vänster) Strukturen av FG-DTE-molekylen, som är gjord av tre fotokromer som kan växla mellan två olika tillstånd när de bestrålas med ljus med olika våglängder. (Höger) En checklista över några av funktionerna hos den helt fotoniska molekylära logiken. Bildkredit:Joakim Andréasson, et al. ©2011 American Chemical Society.
(PhysOrg.com) -- Även om molekyler redan har använts för att utföra individuella logiska operationer, Forskare har nu visat att en enda molekyl kan utföra 13 logiska operationer, några av dem parallellt. Molekylen, som består av tre kromoforer, drivs av olika våglängder av ljus. Forskarna förutspår att detta system, med dess oöverträffade nivå av komplexitet, skulle kunna fungera som en byggsten för molekylär datoranvändning, där molekyler snarare än elektroner används för att bearbeta och manipulera information.
Forskarna och ingenjörerna, Joakim Andréasson från Chalmers tekniska högskola i Göteborg, Sverige; Uwe Pischel från University of Huelva, Spanien; och Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, och Devens Gust från Arizona State University, har publicerat sin studie som heter "All-Photonic Multifunctional Molecular Logic Devices" i ett färskt nummer av Journal of the American Chemical Society .
"Medan tidigare exempel på molekylära logiska system har kunnat utföra ett, eller några olika logiska operationer, denna molekyl kan omkonfigureras för att prestera 13 helt enkelt genom att ändra ingångs- eller utgångsvåglängderna, ” berättade Gust PhysOrg.com . "Dessutom, den använder ljus för alla in- och utgångar, vilket undviker en del av de problem man stöter på när man använder kemikalier som insatsvaror.”
I allmänhet, kromoforer är de delar av en molekyl som absorberar ljus med specifika våglängder samtidigt som de sänder andra våglängder, och är ansvariga för molekylens färg. När kromoforer kan växlas mellan två olika tillstånd genom att bestrålas med ljus med olika våglängder, de har förmågan att utföra binära logiska operationer och fungerar effektivt som transistorer. Dessa foton kan växlas, bistabila kromoforer kallas fotokromer.
De två former som varje fotokrom kan ha representerar de två tillstånden som fungerar som grund för att utföra binära logiska operationer. Olika kombinationer av de tre fotokromerna i olika isomera former kan användas för att utföra binär aritmetik, som addition och subtraktion. Även om tidigare molekylärbaserade system har utfört binär aritmetik, FG-DTE-molekylen är den första som kan utföra dessa operationer med endast två ingångar:ljus med våglängder på 302 nm och 397 nm. Också, alla tre fotokromer kan återställas med grönt ljus (460-590 nm). Dessa egenskaper gör att molekylen kan utföra addition och subtraktion parallellt, helt enkelt genom att låta ljus omvandla fotokromerna till olika isomera former.
"Alla dessa 13 logiska operationer delar samma initiala tillstånd, det är, molekylen "återställs" alltid till ett och samma tillstånd genom att använda grönt ljus, oavsett vilken logikfunktion som ska utföras, ” sa Andréasson. "Detta är en annan unik egenskap hos vår molekyl."
Forskarna visade också att FG-DTE-molekylen kan utföra icke-aritmetiska funktioner. Till exempel, som en digital multiplexer, molekylen kan agera som en efterlikning av en mekanisk vridomkopplare för att ansluta vilken som helst av flera ingångar till en utgång. Som en demultiplexer, molekylen kan separera två signaler som har multiplexerats till en utgång.
Ytterligare, FG-DTE-molekylen kan utföra sekventiella logiska funktioner, där indata måste appliceras i rätt ordning, till exempel för ett knapplås. Molekylen kan också fungera som en överföringsgrind genom att överföra tillståndet för en ingång till det för en utgång, vilket är användbart för komplicerade beräkningsoperationer. Forskarna visade också att molekylen kan fungera som en kodare och avkodare, genom att komprimera digital information för överföring eller lagring, och sedan återställa informationen i dess ursprungliga form.
Medan var och en av dessa individuella logiska operationer tidigare har utförts av molekylära system, FG-DTE-molekylen är den första som förenar dem alla i en enda molekylär plattform. Transistorer och andra mer traditionella logiska enheter har inte samma funktionella flexibilitet, vilket forskarna tillskriver kromoforernas förmåga att reagera olika på olika våglängder av ljus och att påverka varandras egenskaper.
När det gäller ansökningar, forskarna noterar att det är osannolikt att sådana molekylära enheter snart kommer att ersätta elektroniska datorer, men de kan ha tillämpningar inom nanoteknik och biomedicin, till exempel för datalagring, märkning och spårning av mikroobjekt, och programmerad läkemedelsfrisättning.
"På kort sikt, molekylära logiska enheter kommer att komplettera, snarare än att konkurrera med, elektroniska apparater, sa Gust. "I princip molekylär beräkning kan implementeras med extremt små switchstorlekar, eftersom de operativa enheterna är molekyler. Fotoniskt styrda molekylära enheter som den vi beskriver kan också enkelt omkonfigureras för att utföra en mängd olika logiska funktioner, kan arbeta i höga hastigheter, och kan arrangeras i tre dimensioner, snarare än de plana arrangemangen som vanligtvis finns i elektronik.
"Molekylära logiska enheter kan användas där elektroniska sådana inte kan, ” lade han till. "T.ex. de kan användas för att märka och spåra nanopartiklar och komponenter i nanoskala i biologiska organismer. Å andra sidan, de flesta fotokromer är för närvarande inte tillräckligt stabila för att stå emot det stora antal cykler som krävs för användbar fullskalig beräkning. Dessutom, komplex datoranvändning kommer att kräva bekväma sätt för nanoskala logiska enheter att kommunicera med varandra."
"Dessutom, tillämpningen av molekylär logik i biologiska system, som människokroppen, är fortfarande relativt outforskat, även om molekylära system är bättre lämpade för detta ändamål jämfört med elektroniska enheter, ” sa Andréasson.
I framtiden, forskarna planerar att ta itu med några av de största utmaningarna som molekylär logik står inför, som den effektiva ledningsdragningen (sammankopplingen) av logiska omkopplare.
"En av de stora utmaningarna med molekylär logik är sammanlänkning av logiska operationer, sa Gust. "Inom elektronik, detta kan göras helt enkelt genom att koppla utgången från ett element till ingången på nästa. Vi måste hitta sätt att uppnå liknande resultat i molekyler."
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
