Att stärka idén med datorer baserade på vätskor istället för kisel, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat hur beräkningslogikoperationer kan utföras i ett flytande medium genom att simulera fångsten av joner (laddade atomer) i grafen (ett ark av kolatomer) som flyter i saltlösning. Systemet kan också användas i applikationer som vattenfiltrering, energilagring eller sensorteknik.

Idén att använda ett flytande medium för datoranvändning har funnits i decennier, och olika tillvägagångssätt har föreslagits. Bland dess potentiella fördelar, detta tillvägagångssätt skulle kräva mycket lite material och dess mjuka komponenter skulle kunna anpassa sig till anpassade former i, till exempel, Människokroppen.

NIST:s jonbaserade transistor- och logikoperationer är enklare i konceptet än tidigare förslag. De nya simuleringarna visar att en speciell film nedsänkt i vätska kan fungera som en fast kiselbaserad halvledare. Till exempel, materialet kan fungera som en transistor, switchen som utför digitala logiska operationer i en dator. Filmen kan slås på och av genom att justera spänningsnivåer som de som induceras av saltkoncentrationer i biologiska system.

"Tidigare enheter var mycket mer utarbetade och komplexa, "NIST-teoretikern Alex Smolyanitsky sa. "Vad denna jonfångningsmetod åstadkommer är konceptuell enkelhet. Dessutom, exakt samma enhet kan fungera som både en transistor och en minnesenhet – allt du behöver göra är att byta ingång och utgång. Detta är en funktion som kommer direkt från jonfångning."

NIST molekylära dynamiksimuleringar fokuserade på ett grafenark 5,5 gånger 6,4 nanometer (nm) i storlek och med ett eller flera små hål kantade med syreatomer. Dessa porer liknar kronetrar - elektriskt neutrala cirkulära molekyler kända för att fånga metalljoner. Grafen är ett ark av kolatomer ordnade i hexagoner, liknar kycklingnät till formen, som leder elektricitet och kan användas för att bygga kretsar. Denna hexagonala design verkar lämpa sig för porer, och faktiskt, andra forskare har nyligen skapat kronliknande hål i grafen i laboratoriet.

I NIST-simuleringarna, grafenet suspenderades i vatten innehållande kaliumklorid, ett salt som delas i kalium- och natriumjoner. Kroneterporerna utformades för att fånga kaliumjoner, som har en positiv laddning. Simuleringar visar att fånga en enda kaliumjon i varje por förhindrar penetrering av ytterligare lösa joner genom grafenen, och att infångnings- och penetrationsaktivitet kan ställas in genom att applicera olika spänningsnivåer över membranet, skapa logiska operationer med 0:or och 1:or (se textrutan nedan).

Joner som fångas i porerna blockerar inte bara ytterligare jonpenetration utan skapar också en elektrisk barriär runt membranet. Bara 1 nm från membranet, detta elektriska fält ökar barriären, eller energi som behövs för en jon att passera, med 30 millivolt (mV) över själva membranet.

Att applicera spänningar på mindre än 150 mV över membranet stänger av all penetration. Väsentligen, vid låga spänningar, membranet blockeras av de fångade jonerna, medan processen med lösa joner som slår ut de fångade jonerna sannolikt undertrycks av den elektriska barriären. Membranpenetration slås på vid spänningar på 300 mV eller mer. När spänningen ökar, sannolikheten att förlora fångade joner ökar och knockout-händelser blir vanligare, uppmuntras av den försvagade elektriska barriären. På det här sättet, membranet fungerar som en halvledare vid transport av kaliumjoner.

För att göra verkliga enheter, kroneterporer skulle behöva tillverkas på ett tillförlitligt sätt i fysiska prover av grafen eller andra material som bara är några få atomer tjocka och leder elektricitet. Andra material kan erbjuda attraktiva strukturer och funktioner. Till exempel, övergångsmetalldikalkogenider (en typ av halvledare) kan användas eftersom de är mottagliga för en rad porstrukturer och förmåga att stöta bort vatten.

Att göra en logisk operation i vätska

NIST-simuleringar visade att jonfångning beror på spänningen över det porösa grafenmembranet, föreslår möjligheten att utföra enkla jonbaserade logiska operationer. Vid tillräckligt låg saltkoncentration, membranets starkt ledande (på) regim sammanfaller med låg beläggning av fångade joner, och vice versa. Direkt elektrisk mätning av membranets spänning, som kan användas i en elektrisk krets, är vad som kallas en "läs"-operation.

Om en låg spänning, betecknad 0, appliceras över membranet med lämplig saltkoncentration, membranet är nästan icke-ledande (av) och dess porer är helt upptagna av de fångade jonerna. Därför, laddningen i grafenkretsen, mätt vid membranet, är relativt hög, betecknas som 1. Omvänt, vid hög spänning (mer än 300 mV), betecknad 1, tillämpas, membranet är starkt ledande (på), färre joner fångas, och därmed mäts ett lågt (0) energitillstånd i själva membranet.

Ingångs-utgångsrelationen kan ses som en INTE logisk grind eller operation, där ingångs- och utgångsvärden är omvända. Om 0 går in, då kommer 1 ut, och vice versa. Med två grafenark skulle en OR (XOR) logisk operation vara möjlig. I detta fall, utgångsvärdet, eller skillnaden mellan de två membrantillstånden, är 1 endast när något av de två arken är mycket ledande. Sagt på ett annat sätt, utgången är 1 om ingångarna är olika men 0 om de två ingångarna är identiska.

Även en liten variation i pålagd spänning resulterar i en relativt stor förändring i potentiell membranladdning eller ström, vilket tyder på att känslig växling kan vara möjlig. Således, spänningsinställbar joninfångning i kronporer kan användas för att lagra information, och enkelt, Ändå kan känsliga jontransistorer användas för att utföra sofistikerade logiska operationer i nanofluidiska beräkningsenheter.