Em uma descoberta publicada na revista Natureza, uma equipe internacional de pesquisadores descreveu um novo dispositivo molecular com proezas de computação excepcionais.

Uma reminiscência da plasticidade das conexões no cérebro humano, o dispositivo pode ser reconfigurado em tempo real para diferentes tarefas computacionais simplesmente alterando as tensões aplicadas. Além disso, como as células nervosas podem armazenar memórias, o mesmo dispositivo também pode reter informações para recuperação e processamento futuros.

"O cérebro tem a capacidade notável de mudar sua fiação ao fazer e quebrar conexões entre as células nervosas. Alcançar algo comparável em um sistema físico tem sido extremamente desafiador, "disse o Dr. R. Stanley Williams, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Texas A&M University. "Agora criamos um dispositivo molecular com reconfigurabilidade dramática, que não é alcançado mudando as conexões físicas como no cérebro, mas reprogramando sua lógica. "

Dr. T. Venkatesan, diretor do Centro de Pesquisa e Tecnologia Quântica (CQRT) da Universidade de Oklahoma, Afiliado científico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, Gaithersburg, e professor adjunto de engenharia elétrica e da computação na Universidade Nacional de Cingapura, acrescentou que seu dispositivo molecular pode, no futuro, ajudar a projetar chips de processamento de próxima geração com maior poder computacional e velocidade, mas consumindo energia significativamente reduzida.

Seja um laptop familiar ou um supercomputador sofisticado, as tecnologias digitais enfrentam um inimigo comum, o gargalo de von Neumann. Este atraso no processamento computacional é uma consequência das arquiteturas de computador atuais, em que a memória, contendo dados e programas, está fisicamente separado do processador. Como resultado, os computadores passam uma quantidade significativa de tempo transferindo informações entre os dois sistemas, causando o gargalo. Também, apesar das velocidades extremamente rápidas do processador, essas unidades podem ficar inativas por longos períodos durante os períodos de troca de informações.

Como uma alternativa às peças eletrônicas convencionais usadas para projetar unidades de memória e processadores, dispositivos chamados memristors oferecem uma maneira de contornar o gargalo de von Neumann. Memristors, como os feitos de dióxido de nióbio e dióxido de vanádio, transição de isolante para condutor em uma temperatura definida. Essa propriedade dá a esses tipos de memristores a capacidade de realizar cálculos e armazenar dados.

Contudo, apesar de suas muitas vantagens, esses memristores de óxido de metal são feitos de elementos de terras raras e podem operar apenas em regimes de temperatura restritivos. Portanto, tem havido uma busca contínua por moléculas orgânicas promissoras que podem desempenhar uma função memristiva comparável, disse Williams.

Dra. Sreebrata Goswami, professor da Associação Indiana para o Cultivo da Ciência, projetou o material utilizado neste trabalho. O composto possui um átomo de metal central (ferro) ligado a três moléculas orgânicas de fenil azo piridina chamadas ligantes.

"Isso se comporta como uma esponja de elétrons que pode absorver até seis elétrons reversivelmente, resultando em sete estados redox diferentes, "disse Sreebrata." A interconectividade entre esses estados é a chave por trás da reconfigurabilidade mostrada neste trabalho. "

Dr. Sreetosh Goswami, um pesquisador da National University of Singapore, idealizou este projeto criando um minúsculo circuito elétrico que consiste em uma camada de filme molecular de 40 nanômetros imprensada entre uma camada de ouro no topo e um nanodisco com infusão de ouro e óxido de índio e estanho na parte inferior.

Ao aplicar uma tensão negativa no dispositivo, Sreetosh testemunhou um perfil de corrente-voltagem que não era nada parecido com o que alguém já tinha visto antes. Ao contrário dos memristores de óxido metálico, que podem mudar de metal para isolador com apenas uma voltagem fixa, os dispositivos moleculares orgânicos poderiam alternar entre isolante e condutor em várias tensões sequenciais discretas.

"Então, se você pensar no dispositivo como um botão liga-desliga, enquanto varríamos a voltagem mais negativa, o dispositivo primeiro foi ligado para desligado, em seguida, desligue e ligue, em seguida, ligado para desligado e, em seguida, ligado novamente. Eu direi que fomos arrancados de nosso assento, "disse Venkatesan." Tivemos que nos convencer de que o que estávamos vendo era real. "

Sreetosh e Sreebrata investigaram os mecanismos moleculares subjacentes ao curioso comportamento de comutação usando uma técnica de imagem chamada espectroscopia Raman. Em particular, eles procuraram assinaturas espectrais no movimento vibracional da molécula orgânica que pudessem explicar as múltiplas transições. A investigação revelou que a varredura da voltagem negativa fez com que os ligantes da molécula passassem por uma série de reduções, ou ganhando elétrons, eventos que causaram a transição da molécula entre os estados desligado e ligado.

Próximo, para descrever o perfil de corrente-tensão extremamente complexo do dispositivo molecular matematicamente, Williams desviou-se da abordagem convencional de equações básicas baseadas na física. Em vez de, ele descreveu o comportamento das moléculas usando um algoritmo de árvore de decisão com declarações "if-then-else", uma linha de código comum em vários programas de computador, particularmente jogos digitais.

"Os videogames têm uma estrutura em que você tem um personagem que faz alguma coisa, e então algo ocorre como resultado. E entao, se você escrever isso em um algoritmo de computador, são declarações if-then-else, "disse Williams." Aqui, a molécula está ligando e desligando como consequência da voltagem aplicada, e foi então que tive o momento eureca de usar árvores de decisão para descrever esses dispositivos, e funcionou muito bem. "

Mas os pesquisadores deram um passo além para explorar esses dispositivos moleculares para executar programas para diferentes tarefas computacionais do mundo real. Sreetosh mostrou experimentalmente que seus dispositivos podiam realizar cálculos bastante complexos em uma única etapa de tempo e então ser reprogramados para realizar outra tarefa no próximo instante.

"Foi extraordinário; nosso dispositivo estava fazendo algo parecido com o que o cérebro faz, mas de uma maneira muito diferente, "disse Sreetosh." Quando você está aprendendo algo novo ou quando está decidindo, o cérebro pode realmente reconfigurar e alterar a fiação física ao redor. De forma similar, podemos reprogramar ou reconfigurar logicamente nossos dispositivos, dando-lhes um pulso de voltagem diferente do que eles viram antes. "

Venkatesan observou que seriam necessários milhares de transistores para realizar as mesmas funções computacionais que um de seus dispositivos moleculares com suas diferentes árvores de decisão. Portanto, ele disse que sua tecnologia pode ser usada primeiro em dispositivos portáteis, como telefones celulares e sensores, e outras aplicações onde a potência é limitada.

Outros colaboradores da pesquisa incluem o Dr. Abhijeet Patra e o Dr. Ariando da Universidade Nacional de Cingapura; Dr. Rajib Pramanick e Dr. Santi Prasad Rath da Associação Indiana para o Cultivo da Ciência; Dr. Martin Foltin da Hewlett Packard Enterprise, Colorado; e Dr. Damien Thompson da University of Limerick, Irlanda.

Venkatesan disse que esta pesquisa é um indicativo das futuras descobertas desta equipe colaborativa, que incluirá o centro de nanociência e engenharia do Instituto Indiano de Ciência e a Divisão de Microssistemas e Nanotecnologia do NIST.