Revigorando a ideia de computadores baseados em fluidos em vez de silício, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) mostraram como operações lógicas computacionais podem ser realizadas em um meio líquido, simulando o aprisionamento de íons (átomos carregados) em grafeno (uma folha de átomos de carbono) flutuando em solução salina. O esquema também pode ser usado em aplicações como filtragem de água, armazenamento de energia ou tecnologia de sensor.

A ideia de usar um meio líquido para computação existe há décadas, e várias abordagens foram propostas. Entre suas vantagens potenciais, esta abordagem exigiria muito pouco material e seus componentes macios poderiam estar em conformidade com formas personalizadas em, por exemplo, o corpo humano.

O transistor baseado em íons e as operações lógicas do NIST são mais simples em conceito do que as propostas anteriores. As novas simulações mostram que um filme especial imerso em líquido pode agir como um semicondutor sólido à base de silício. Por exemplo, o material pode atuar como um transistor, o switch que realiza operações lógicas digitais em um computador. O filme pode ser ligado e desligado ajustando os níveis de voltagem, como aqueles induzidos por concentrações de sal em sistemas biológicos.

"Os dispositivos anteriores eram muito mais elaborados e complexos, "O teórico do NIST, Alex Smolyanitsky, disse." O que essa abordagem de captura de íons alcança é a simplicidade conceitual. Além disso, o mesmo dispositivo exato pode atuar como um transistor e um dispositivo de memória - tudo o que você precisa fazer é trocar a entrada e a saída. Este é um recurso que vem diretamente da captura de íons. "

As simulações de dinâmica molecular do NIST focaram em uma folha de grafeno de 5,5 por 6,4 nanômetros (nm) de tamanho e com um ou mais pequenos orifícios revestidos com átomos de oxigênio. Esses poros se assemelham a éteres de coroa - moléculas circulares eletricamente neutras conhecidas por reter íons metálicos. O grafeno é uma folha de átomos de carbono dispostos em hexágonos, semelhante em forma de rede de galinheiro, que conduz eletricidade e pode ser usado para construir circuitos. Este desenho hexagonal parece se adequar a poros, e de fato, outros pesquisadores criaram recentemente buracos em forma de coroa no grafeno no laboratório.

Nas simulações NIST, o grafeno foi suspenso em água contendo cloreto de potássio, um sal que se divide em íons de potássio e sódio. Os poros do éter da coroa foram projetados para prender os íons de potássio, que têm uma carga positiva. Simulações mostram que prender um único íon de potássio em cada poro impede qualquer penetração de íons soltos adicionais através do grafeno, e que a atividade de captura e penetração pode ser ajustada pela aplicação de diferentes níveis de voltagem através da membrana, criando operações lógicas com 0s e 1s (veja a caixa de texto abaixo).

Os íons presos nos poros não apenas bloqueiam a penetração adicional de íons, mas também criam uma barreira elétrica ao redor da membrana. Apenas 1 nm de distância da membrana, este campo elétrico aumenta a barreira, ou a energia necessária para a passagem de um íon, por 30 milivolts (mV) acima do da própria membrana.

Aplicar tensões de menos de 150 mV através da membrana "desliga" qualquer penetração. Essencialmente, em baixas tensões, a membrana é bloqueada pelos íons aprisionados, enquanto o processo de íons soltos eliminando os íons presos é provavelmente suprimido pela barreira elétrica. A penetração da membrana é ativada em tensões de 300 mV ou mais. Conforme a tensão aumenta, a probabilidade de perder íons presos aumenta e os eventos de nocaute tornam-se mais comuns, encorajado pelo enfraquecimento da barreira elétrica. Desta maneira, a membrana atua como um semicondutor no transporte de íons de potássio.

Para fazer dispositivos reais, os poros do éter da coroa precisariam ser fabricados de forma confiável em amostras físicas de grafeno ou outros materiais que tenham apenas alguns átomos de espessura e conduzam eletricidade. Outros materiais podem oferecer estruturas e funções atraentes. Por exemplo, dichalcogenetos de metais de transição (um tipo de semicondutor) podem ser usados ​​porque são receptivos a uma variedade de estruturas de poros e capacidade de repelir água.

Fazendo uma operação lógica em líquido

As simulações do NIST mostraram que o aprisionamento de íons depende da voltagem através da membrana de grafeno porosa, sugerindo a possibilidade de realizar operações lógicas simples baseadas em íons. Em concentração de sal suficientemente baixa, o regime altamente condutor (ligado) da membrana coincide com baixa ocupação de íons aprisionados, e vice versa. Medição elétrica direta da tensão da membrana, que pode ser usado em um circuito elétrico, é o que é conhecido como operação de "leitura".

Se uma baixa tensão, denotado 0, é aplicado através da membrana com concentração de sal apropriada, a membrana é quase não condutiva (desligada) e seus poros estão totalmente ocupados pelos íons aprisionados. Portanto, a carga no circuito de grafeno, medido na membrana, é relativamente alto, denotado como 1. Por outro lado, quando alta tensão (mais de 300 mV), denotado 1, é aplicado, a membrana é altamente condutora (ligada), menos íons são presos, e assim um baixo (0) estado de energia na própria membrana é medido.

A relação de entrada-saída pode ser vista como NÃO uma porta lógica ou operação, em que os valores de entrada e saída são invertidos. Se 0 entrar, então 1 sai, e vice versa. Com duas folhas de grafeno, uma operação lógica OR (XOR) seria possível. Nesse caso, o valor de saída, ou a diferença entre os dois estados de membrana, é 1 apenas quando uma das duas folhas é altamente condutora. Dito de outra forma, a saída é 1 se as entradas forem diferentes, mas 0 se as duas entradas forem idênticas.

Mesmo uma pequena variação na tensão aplicada resulta em uma mudança relativamente grande na carga ou corrente potencial da membrana, sugerindo que a comutação sensível pode ser possível. Assim, O aprisionamento de íons sintonizável por voltagem nos poros da coroa pode ser usado para armazenar informações, e simples, ainda transistores iônicos sensíveis podem ser usados ​​para executar operações lógicas sofisticadas em dispositivos de computação nanofluídica.