Mengapa naneminines sudah dibuat, dan nanokomputer belum lagi?

Mengapa naneminines sudah dibuat, dan nanokomputer belum lagi?

Mikhail Budyka,
Dr. kimia sains, profesor, ketua. Makmal Fotokimia Organik dan Supramolekul, Institut Masalah Fizik Kimia, Akademi Sains Rusia
"Trinity Option" №22 (216), 01 November 2016

Mikhail Budyka

Isu terakhir TrV-Science menangani sumbangan tiga pemenang Hadiah Nobel tahun ini dalam kimia kepada penciptaan nanomachines [1]. Ia agak mudah untuk menjelaskan pencapaian masing-masing pemenang, kerana tidak semestinya seseorang yang tidak tahu bahawa kereta itu memandu, enjin berputar, pesawat ulang-alik itu berulang-ulang (sebab itulah kapal angkasa terbang ke belakang dan sebagainya dipanggil pesawat ulang-alik). Apa yang dilakukan komputer juga diketahui oleh semua orang: dalam istilah yang paling umum, ia memproses maklumat. Tetapi bagaimana dia melakukannya? Dan kenapa nanomachine molekul sudah wujud, tetapi nanokomputer molekul, yang mana, seperti tentang nanomachines, telah "diperdebatkan untuk keseronokan" lebih daripada 50 tahun yang lalu oleh Richard Feynman, belum diciptakan? Untuk memahami sebab-sebab ini, kita masih ingat prinsip-prinsip komputer biasa.

Hampir semua komputer moden menggunakan sistem nombor perduaan untuk pemprosesan maklumat, beroperasi dengan hanya dua digit – 0 dan 1.Pemprosesan maklumat berlaku dengan bantuan pintu logik semikonduktor (LV). Suatu isyarat dibekalkan kepada input LV, yang hanya boleh mempunyai nilai 0 atau 1. Isyarat keluaran LV juga boleh mengambil hanya nilai 0 atau 1, dan mana satu bergantung pada jenis injap.

Nisbah antara isyarat input dan output ditentukan oleh jadual negara (jadual kebenaran), Jadual. 1. LV utama adalah penyongsang "TIDAK" (TIDAK), pintu masuk pendaraban logik (konjungsi) "DAN" (AND) dan pintu tambahan logik (disjunction) ATAU (OR), dengan bantuan LP ini anda boleh membina sebarang fungsi logik. Adalah jelas bahawa penyongsang itu mengalihkan isyarat: jika input adalah "0", maka output adalah "1", dan sebaliknya. Pendaraban dalam algebra logik adalah serupa dengan biasa – pada output "1", hanya jika kedua-dua input adalah "1". Tetapi penambahan logik berbeza dari aritmetik – pada output "1", jika sekurang-kurangnya satu input adalah "1", iaitu, jumlah logik dari dua unit juga memberikan satu (dalam logik ini sepadan dengan peraturan: pernyataan itu benar, jika sekurang-kurangnya satu daripada komponennya). Kita juga boleh menggunakan pintu "EXCLUSIVE ATAU" (XOR), yang menghasilkan "1" pada output, jika input mempunyai isyarat yang berlainan ("0" dan "1"), tetapi jika kedua-dua input mempunyai isyarat yang sama (kedua-duanya " 1 "), maka output adalah" 0 ".

Jadual 1. Negeri-negeri pintu masuk logik "border = 0>Jadual 1. Negeri-negeri pintu masuk logik

Di peringkat bahan, LV semikonduktor adalah transistor atau beberapa transistor yang disambungkan dalam litar. Apa sebenarnya isyarat, 0 atau 1, ditentukan oleh voltan (potensi) pada kenalan dan nilai ambang (PZ) potensi, yang ditetapkan bagi setiap litar tertentu. Dalam logik positif, jika potensi adalah lebih rendah daripada PZ, isyarat digital dianggap sebagai 0, jika lebih tinggi daripada PZ, maka 1. Menukar voltan ke nombor tanpa dimensi, kita dengan itu melaksanakan prosedur untuk menukar isyarat analog yang mempunyai bilangan nilai tak terhingga ke isyarat digital yang hanya mempunyai dua nilai : 0 atau 1.

Transistor adalah jenis yang berlainan, tetapi prinsip kerja mereka adalah sama – potensi pada hubungan output bergantung kepada potensi pada dua input input (yang melaksanakan fungsi yang berbeza dan dipanggil secara berbeza, tetapi ini tidak penting sekarang). Arus dalam logam dan semikonduktor adalah pergerakan arah elektron (dan walaupun secara konkrit dirujuk sebagai pengaliran "lubang", elektron sebenarnya bergerak). Aliran elektron, yang mengalir dari satu kenalan transistor ke yang lain, mewujudkan potensi yang diperlukanbergantung pada nilai, yang ditafsirkan sebagai isyarat digital "0" atau "1". Kita akan memerlukan kesimpulan ini lagi apabila membandingkan satu semikonduktor dan sebuah komputer molekul.

Komputer membuat pengiraan matematik. Bagaimanakah ini dilakukan dengan pintu logik? Sebagai contoh, pertimbangkan operasi penambahan yang paling mudah, Gamb. 1.

Rajah. 1. Penambahan dua digit dalam binari ') "> Rajah. 1. Menambah dua digit dalam sistem perduaan "border = 0> Rajah. 1. Penambahan dua digit dalam sistem binari

Apabila menambah dua digit, kita juga mendapat dua digit: digit penjumlahan – digit paling ketara dan digit yang dibawa – digit yang paling penting. (Dalam sistem nombor perpuluhan yang kita gunakan, keadaan ini timbul apabila kita menambah, sebagai contoh, 7 dan 8 dan kita mendapat 15, di mana unit itu adalah kategori paling senior – puluhan). Sekarang kita bandingkan istilah (Rajah 1) dengan isyarat masukan LP (Jadual 1), dan hasil penambahan adalah dengan isyarat keluaran LP. Ia adalah jelas bahawa angka pemindahan kepada bit yang paling signifikan sepadan dengan isyarat keluaran LL DAN, dan angka penjumlahan dalam bit semasa sepadan dengan isyarat keluaran LL XOR. Fungsi selari (serentak) selari kedua-dua ubat ini memberikan penambah separuh (penambah perduaan).Mengapa "semi-"? Kerana separuh penambah hanya mempunyai dua input dan hanya menambah dua digit, dan apabila menambah nombor berbilang digit terdapat juga digit pemindahan dari penambahan sebelumnya. Memandangkan angka ini, penambah "penuh" (atau hanya sum torus) berfungsi, yang mana isyarat input ketiga, sebagai tambahan kepada dua isyarat masukan untuk dua istilah.

Pada tahun 1993, Amilra de Silva, seorang kakitangan Universiti Queen di Belfast, dan buat pertama kalinya menunjukkan bahawa molekul itu dapat melaksanakan fungsi logik dan multiplikasi [2]. Bagaimana mereka melakukannya?

Amilra de Silva, Queen's University Belfast. Photo: Twitter Queen's University

Saya fikir bahawa pembaca yang paling jauh dari kimia ingat dari kursus kimia sekolah yang jika anda menambah penunjuk kepada larutan asid atau alkali tanpa larutan, larutan akan noda, dan jika penunjuk itu luminescent, maka penyelesaian itu juga akan bersinar dengan cahaya. tanda jalan baru di lampu depan). Penunjuk yang bertindak balas terhadap kehadiran ion logam dalam penyelesaian dipanggil sensor. De Silva mencipta sensor yang bertindak balas terhadap kehadiran ion hidrogen (proton) dan natrium dalam larutan, dan sensor mula bersinar hanya jika kedua-dua jenis ion ditambah kepada penyelesaiannya.Kini, selepas de Silva, kita akan melihat perubahan yang berlaku semasa penggabungan penyelesaian melalui prisma aljabar logik.

Jika kita tidak menambah apa-apa kepada penyelesaian, isyarat input adalah "0"; jika proton ditambah, ia bermakna kita telah memberi isyarat "1" kepada input pertama; jika ion natrium ditambah, isyarat "1" digunakan pada input kedua. Jika penyelesaian tidak menyala, maka isyarat keluaran adalah "0", dan jika ia adalah "1". Seperti yang dapat dilihat dari jadual. 2, dengan penafsiran tindakan sempurna dan fenomena yang dapat dilihat, kami melakukan operasi pendaraban logik DAN dengan bantuan molekul sensor – kami mendapat "1" pada output hanya apabila terdapat satu pada kedua-dua input.

Jadual 2. Fungsi geran logik molekul "border = 0>

Jadual 2. Fungsi geran logik molekul

Sejak itu, berpuluh-puluh sebatian telah disiasat, telah ditunjukkan bahawa pintu logik molekul (MLE) mampu melaksanakan semua operasi logik yang paling mudah, serta operasi penambahan dan pengurangan matematik, fungsi pengekod dan penyahkod, dan lain-lain [3]. Isyarat masukan untuk MLB boleh jadi apa-apa kesan luar kimia atau fizikal – penambahan reagen, pemanasan, penyinaran cahaya, dll.Perkara utama adalah bahawa di bawah tindakan isyarat ini molekul mengubah struktur, perubahan dari satu negeri ke yang lain, dan pada masa yang sama beberapa perubahan dalam sifat berlaku. Sifat perubahan ini menentukan jenis isyarat keluaran. Sekiranya anda membentangkan MLA sebagai kotak hitam, maka secara umum, prinsip fungsinya ditunjukkan dalam Rajah. 2

Rajah. 2 Gambarkan gambarajah fungsi MLE ') "> Rajah. 2 Gambar gambarajah fungsi MLE "border = 0> Rajah. 2 Gambarkan gambarajah fungsi MLB

Sebagai contoh, jika pengaruh luar mendedahkan ion atau molekul, ia berfungsi sebagai isyarat keluaran. Sekiranya warna berubah, isyarat keluaran dibaca dengan penyerapan, jika keupayaan untuk memancarkan cahaya muncul (atau hilang) oleh luminescence. Bagi majoriti MRL yang dikaji, isyarat input adalah sifat kimia, dan isyarat keluaran dibaca oleh penyerapan cahaya.

Ciri-ciri unik gerbang logik molekul telah ditemui: keserasian atau kebolehpasaran – apabila beberapa operasi logik dilakukan pada masa yang sama (direkodkan pada isyarat keluaran yang berbeza) dan kebolehkonfigurasi semula – apabila injap yang sama dapat disesuaikan dengan operasi logik yang berbeza dengan mengubah input dan / atau isyarat keluaran.Asas sifat ini adalah keupayaan molekul, berbeza dengan transistor semikonduktor, untuk menghasilkan beberapa isyarat output sekaligus.

Untuk menjelaskan sifat fizikal keupayaan ini, anda mesti terlebih dahulu bercakap tentang spektrum penyerapan (luminescence). Sesiapa yang tahu ini atau siapa yang mungkin merasa sukar atau tidak menarik, mungkin melangkau beberapa perenggan seterusnya dan pergi terus ke jawapan kepada soalan tajuk.

Spektrum penyerapan (atau pendaraban) mencirikan keupayaan bahan untuk menyerap (atau mengeluarkan) cahaya panjang gelombang yang berbeza. Hakikat bahawa cahaya mempunyai sifat gelombang banyak, walaupun secara tidak sedar, diketahui oleh semua orang yang telah melihat pelangi. Apabila sinaran matahari, dibiaskan dalam pelbagai titisan hujan, seperti dalam mikroskopis, memberikan semua warna pelangi – ini adalah bukti fakta bahawa cahaya putih adalah cahaya "kompleks" yang terdiri daripada satu set "lampu monokrom mudah." Dan kita melihat kepelbagaian warna di alam semulajadi kerana sinar pelbagai cahaya, disebabkan oleh fakta bahawa bahan-bahan lain menyerap cahaya warna yang berbeza, iaitu panjang gelombang yang berbeza.

Kuantitatif, pergantungan penyerapan pada panjang gelombang dinyatakan oleh spektrum penyerapan (dan pergantungan yang sama untuk sinaran -spektrum luminescence). Molekul tidak pernah menyerap (dan tidak memancarkan) sama cahaya cahaya panjang gelombang yang berbeza. Sebagai contoh, molekul yang spektrumnya ditunjukkan dalam Rajah. 3, menyerap dengan panjang gelombang A, tetapi tidak menyerap pada panjang gelombang B. Jika kita kini menetapkan nilai penyerapan ambang yang ditunjukkan oleh garis merah di rajah. 3, dan, seperti yang dilakukan di atas untuk transistor, jika kita menerjemahkan isyarat analog – penyerapan – menjadi digital, maka pada panjang gelombang A kita akan menerima isyarat "1", dan pada panjang gelombang B – serentak! – isyarat "0". Molekul ini berbeza daripada transistor semikonduktor, sama ada melalui litar semasa atau tidak, dan oleh itu LV berdasarkan transistor boleh mempunyai sama ada "1" atau "0" pada output, tetapi tidak keduanya pada masa yang sama.

Rajah. 3 Contoh spektrum penyerapan dan pemindahan isyarat analog ke digital "border = 0>

Rajah. 3 Contoh spektrum penyerapan dan pemindahan isyarat analog kepada digital

Mengambil kira sifat-sifat MRL ini di makmal kami fotokimia organik dan supramolekul Institut Masalah Fizik Kimia Akademi Sains Rusia, sebatian telah dibangunkan dan disintesis – dyad biphochromic yang boleh melaksanakan fungsi semua 16 pintu logik dua arah yang mungkin, lihat rajah.4 (spektrum penyerapan dyad ini digunakan sebagai contoh dalam Rajah 3).

Rajah. 4 A biphotochromic dyad yang mensimulasikan tindakan semua 16 logik dual-address logic yang mungkin; imej simbolik sebahagian daripada mereka diberikan [4] "border = 0>

Rajah. 4 A biphotochromic dyad yang mensimulasikan tindakan semua 16 logik dual-address logic yang mungkin; imej watak sebahagian daripada mereka diberikan [4]

Kesesuaian dan sifat-sifat konfigurasi semula tidak boleh dicapai dalam elemen semikonduktor yang sedang digunakan, di mana setiap operasi logik memerlukan set transistor sendiri. Asas asas sifat-sifat ini adalah kepelbagaian isyarat input dan output MRL, bertentangan dengan isyarat bersatu dalam gerbang semikonduktor. Tetapi, ini adalah kelebihan kelebihan pintunya molekul yang menjadikannya merugikan apabila cuba menyambungkan pintu dalam rantai, tanpa mana mustahil untuk mencipta komputer.

Isyarat output satu injap mesti diberi kepada input injap lain dalam rantai beberapa LVs. Untuk ini, isyarat input dan output ubat mestilah homogen (homogen).Homogenitas isyarat dalam peranti semikonduktor dicapai secara automatik, kerana kedua-dua isyarat input dan keluaran setiap elemen litar adalah aliran elektron.

Sekarang kita akhirnya boleh menjawab soalan: kenapa nanokomputer molekul tidak dicipta? Kerana dalam majoriti MRL yang dipelajari, isyarat input dan output adalah tidak homogen (heterogen), dan ini adalah masalah utama yang timbul dalam cara menghubungkan beberapa MLEs, tanpa penciptaan komputer molekul yang mustahil.

Sebahagiannya, masalah ketidaksopanan isyarat diselesaikan kerana harta unik MRL tersebut – keupayaan satu molekul untuk melakukan operasi logik secara serentak. Oleh itu, seni bina yang sangat berbeza untuk membina rantaian adalah mungkin untuk MRL. Di peringkat unit pengiraan kecil, dan bukannya menyambungkan beberapa LP untuk satu sama lain (integrasi berturut-turut), adalah mungkin untuk mensintesis sambungan dengan kombinasi sifat yang diperlukan yang akan menghasilkan operasi tertentu (integrasi selari). Ini adalah bagaimana penambah molekul, subtractors, multiplexers, dan sebagainya berfungsi.

Terdapat dua cara untuk menyelesaikan masalah ketidaksuburan isyarat. Pilihan pertama digunakan secara bersifat – ini adalah penukar isyarat yang "mengolah semula" isyarat keluaran satu injap supaya ia difahami oleh yang lain. Pilihan ini dilaksanakan oleh sistem pengkomputer semula jadi kami – otak.

Pilihan lain adalah untuk membangunkan MLA dengan isyarat input dan keluaran homogen. Sebagai contoh, untuk beberapa bio-MRL yang menggunakan prinsip pelengkap asas nitrogenus asid nukleik ("DNA-komputer"), oligonukleotida boleh menjadi isyarat masukan dan keluaran, yang secara teorinya membenarkan isyarat dari output satu MLE untuk dihantar ke input yang lain [5].

Satu lagi jenis LLW yang memenuhi kehendak homogeniti isyarat adalah foton LLR sepenuhnya, yang menggunakan quanta cahaya pada input dan pada output [6]. Hanya MLV fotonik seperti dyad biphochromic yang dipertimbangkan di atas, yang beralih dari satu negeri kepada yang lain kerana reaksi photoisomerisasi dua serpihan fotoaktif yang ditandai dengan oval berwarna dalam Rajah. 4

Walau bagaimanapun, fungsi foton MRLs menyebabkan beberapa masalah tertentu yang berkaitan dengan sifat penyerapan cahaya dan sifat-sifat keadaan molekul yang teruja (sifat probabilistik prosespemindahan tenaga induktif-resonansi, yang membawa kepada penindasan aktiviti fotochrome, pelesapan tenaga, yang menyebabkan pemanasan sistem, dan sebagainya). Masalah-masalah ini mempunyai asas asas, dan sebahagian daripadanya pada asasnya tidak dapat dielakkan, sementara kesan-kesan yang tidak diingini orang lain dapat diminimumkan.

Sains sains multilateral berasal dari persimpangan beberapa sains – kimia, fizik, elektronik, aljabar logik – dan kini berada di peringkat penyelidikan asas. Tetapi tidak ada keraguan bahawa komputer molekul yang beroperasi pada satu prinsip atau yang lain akan diwujudkan. Komputer adalah peranti yang lebih kompleks daripada motor atau kereta, tetapi ia juga muncul di peringkat makro lebih lama. Yang lebih berprestij itu akan dibuat. Ini adalah satu cabaran untuk pemenang Hadiah Nobel masa depan untuk reka bentuk dan sintesis komputer molekul.

P. S. Dalam artikel sains yang popular, beberapa perkara perlu dipermudahkan. Pembaca yang berminat boleh selalu mencari definisi yang lebih ketat dan lengkap dalam artikel saintifik mengenai topik ini atau, yang lebih mudah sekarang, di Internet, tetapi dalam kes yang terakhir, tentu anda mesti ingat bahawa tidak semua yang ditulis di sana adalah benar.

1. Budyka M. Fizik telah melakukan apa yang telah lama dimimpahkan para ahli fizik // TrV-Science. №215 dari 18 Oktober 2016.

2. De Silva A. P., Gunaratne H. Q. N., McCoy C. P.A photoionic dan pintu molekul berdasarkan isyarat pendarfluor // Alam. 1993. 364. R. 42-44.

3. a) De Silva A.P., Uchiyama S. Logik dan pengkomputeran molekular // Nat. Nanotechnol. 2007. 2. P. 399-410;
b) Szacilowski K. Pemprosesan Maklumat Digital dalam Sistem Molekul // Chem. Wahyu 2008. 108. P. 3481-3548;
c) Pischel U., Andreasson J., Gust D., Pais V. F. Pemprosesan Maklumat dengan Molekul-Quo Vadis? // ChemPhysChem. 2013. 14. R. 28-46.

4. Budyka M.F., Li V.M. Multifunctional Photonic Molecular Logic Gate Berdasarkan Dyad Biphotochromic dengan Transfer Energy Reduced // 2016. DOI: 10.1002 / cphc.201600722.

5. a) Stojanovic M. N., Stefanovic D., Rudchenko S. Latihan dalam Pengkomputeran Molekul // Acc. Chem. Res. 2014. 47. 1845-1852;
b) Orbach, R., Willner, B., Willner, I. Chem. Komun. 2015. 51. P. 4144-4160.

6. a) Budyka MF Photonic logic devices devices // Kimia Tenaga Tinggi. 44. ms 154;
b) Andréasson J., Pischel U. Penyimpanan dan Pemprosesan Molekul Maklumat: Multi-Photo Chromic Switches // Isr. J. Chem. 2013. 53. P. 236-246.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: