Komputer chemiczny

Od drutu do bramki logicznej

Po otrzymaniu drutu kolejnym zagadnieniem jest wykonanie zamkniętego obwodu elektrycznego. Rozwiązaniem proponowanym przez wspomnianego Jamesa Toura jest układ składający się z drutu przymocowanego jednym końcem do złotej powierzchni. Obwód zamykany jest na drugim końcu igłą skaningowego mikroskopu tunelowego. Tyle mówi teoria. Jak jednak przymocować do złotej powierzchni długie (do 60 wiązań chemicznych) i cienkie cząsteczki, tak by chciały stać, a nie bezładnie się pokładały? Rozwiązaniem tego problemu okazała się „molekularna szczotka” - złotą powierzchnię pokryto warstwą neutralnych związków organicznych. Molekularne druty wciskają się w szczeliny między nimi, podobnie jak byśmy we włosie prawdziwej szczotki wcisnęli zapałkę.

To jednak nie koniec problemów. Często molekularne druty znajdują się jeden od drugiego w odległości kilku nanometrów. Zachodzi ryzyko „spięć”, czyli przeskakiwania elektronów z drutu na drut. Jedynym rozwiązaniem było wymyślenie molekularnych izolatorów, czyli „koszulek” nakładanych na drut i chroniących przed spięciem. O ile pisze się o tym łatwo, to wykonanie w rzeczywistości takiego izolowanego drutu jest niemałym problemem. Wiedzę, jak się tego dokonuje, pozostawmy chemikom. W każdym razie w efekcie ich racy powstają struktury zwane rotaksanami.

Pokonaliśmy kolejny etap - dysponujemy już izolowanymi drutami i umiemy zamykać obwód. Czas na operacje logiczne. By ich dokonywać, potrzebne jest złącze - bramka logiczna, na której można realizować stany binarne. Okazuje się, że spośród milionów substancji chemicznych można znaleźć takie układy molekularne, które doskonale kwalifikują się do spełniania tych funkcji. Już w tej chwili istnieją chemiczne odpowiedniki dla najprostszego typu bramki inwertującej sygnał (gdy do niej dociera sygnał mający binarną wartość 1, na wyjściu uzyskujemy wartość 0 i na odwrót) oraz bardziej złożonych bramek XOR, z dwoma wejściami i jednym wyjściem.

Warto w tym przypadku przyjrzeć się bliżej pracy chemików, by lepiej uzmysłowić sobie ich pomysłowość. Wspomnianą chemiczną bramkę XOR opracowali Fraser Stoddart i Steven Langford University of Birmingham oraz Vincenzo Balzani i Alberto Credi z Uniwersytetu Bolońskiego. Do swojej bramki wykorzystują oni strukturę rotaksanową (czyli „drucik w koszulce”).

W roztworze o odczynie kwaśnym lub zasadowym „koszulka” zsuwa się ze znajdującego się wewnątrz drucika, który w tym przypadku ma właściwości fluorescencyjne (czyli, po prostu świeci). Gdy środowisko ulegnie zobojętnieniu, koszulka „nasuwa” się na drucik i fluorescencja ustaje. W układzie tym jednym rodzajem wejścia logicznego jest obecność (wartość 1) lub brak (wartość 0) kwasu. Drugim wejściem jest wrażliwość na zasady. Wyjście jest reprezentowane przez zjawisko fluorescencji (wartość 1) lub jego brak (0). Jak to działa? Przy wejściu typu (0,0) - ani kwasu, ani zasady nie obserwujemy fluorescencji (0). Przy wejściu (0,1) lub (1,0), czyli albo kwas albo zasada, występuje fluorescencja (1). Przy wejściu (1,1), następuje zobojętnienie obecnych w środowisku kwasu i zasady i na wyjściu otrzymujemy (0), czyli brak fluorescencji. Proste? Kolejne typy chemicznych bramek logicznych będą się niebawem pojawiać.

Pozostał jeszcze tylko jeden problem - włączanie i wyłączanie sygnałów. Najbardziej prawdopodobnym kandydatem na molekularne przełączniki są znane z natury układy porfirynowe. Są to substancje organiczne z wbudowanym atomem magnezu, wrażliwe na działanie światła. Odpowiednio dobrane grupy porfirynowe mogą doksonale służyć za przełączniki, w których efekt uzyskuje się albo przez zewnętrzny impuls świetlny, albo wywołuje się emisję światła przez zmianę warunków chemicznych w środowisku otaczającym cząsteczkę.

Komputer chemiczny - to nie koniec

Wszystkie elementy niezbędne do ropoczęcia budowy chemicznego komputera są już znane. Oczywiście, droga do skończonego urządzenia jest jeszcze daleka. Pracujący nad chemicznym komputerem uczeni wcale zresztą nie twierdzą, że ich osiągnięcia odsuną w cień technologie krzemowe. Raczej należy się spodziewać powolnego włączania rozwiązań molekularnych do funkcjonujących obecnie „klasycznych” technologii. James Tour mówi o hybrydach, w których rozwiązania krzemowe będą uzupełniane o technologie molekularne. Obiecujące jest wykorzystanie molekularnych złączy do łączenia elementów na powierzchni klasycznych kości procesorów w celu skrócenia drogi, jaką muszą pokonywać elektrony. Zmniejszenie tych odległości powinno doprowadzić do radykalnego wzrostu szybkości przetwarzania.

Czy miniaturyzacyjna gonitwa zakończy się na etapie komputerów chemicznych? Już dziś wiadomo, że nie. W tyle za chemikami nie chcą pozostać fizycy. Już legendarny Richard Feynman, jeden z najsłynniejszych fizyków naszego stulecia, zapowiedział powstanie komputerów kwantowych. Fizykom zaś wtórują biolodzy z koncepcją komuterów biologicznych.


TOP 200