(À gauche) La structure de la molécule FG-DTE, qui est composé de trois photochromes qui peuvent basculer entre deux états différents lorsqu'ils sont irradiés avec de la lumière de différentes longueurs d'onde. (À droite) Une liste de contrôle de certaines des caractéristiques du dispositif de logique moléculaire entièrement photonique. Crédit image :Joakim Andréasson, et al. ©2011 Société chimique américaine.
(PhysOrg.com) -- Alors que les molécules ont déjà été utilisées pour effectuer des opérations logiques individuelles, les scientifiques ont maintenant montré qu'une seule molécule peut effectuer 13 opérations logiques, certains d'entre eux en parallèle. La molécule, qui se compose de trois chromophores, est exploité par différentes longueurs d'onde de la lumière. Les scientifiques prédisent que ce système, avec son niveau de complexité sans précédent, pourrait servir de bloc de construction à l'informatique moléculaire, dans lequel des molécules plutôt que des électrons sont utilisées pour traiter et manipuler l'information.
Les scientifiques et ingénieurs, Joakim Andréasson de l'Université de technologie Chalmers de Göteborg, Suède; Uwe Pischel de l'Université de Huelva, Espagne; et Stephen D. Straight, Thomas A. Moore, Ana L. Moore, et Devens Gust de l'Université d'État de l'Arizona, ont publié leur étude intitulée « All-Photonic Multifunctional Molecular Logic Devices » dans un récent numéro du Journal de l'American Chemical Society .
« Alors que des exemples précédents de systèmes de logique moléculaire ont pu en réaliser un, ou quelques opérations logiques différentes, cette molécule peut être reconfigurée pour effectuer 13 simplement en changeant les longueurs d'onde d'entrée ou de sortie, « Gust a dit PhysOrg.com . « De plus, il utilise la lumière pour toutes les entrées et sorties, ce qui évite certains des problèmes rencontrés lors de l'utilisation de produits chimiques comme intrants.
En général, les chromophores sont les parties d'une molécule qui absorbent la lumière de longueurs d'onde spécifiques tout en transmettant d'autres longueurs d'onde, et sont responsables de la couleur de la molécule. Lorsque les chromophores peuvent être commutés entre deux états différents en étant irradiés avec de la lumière de différentes longueurs d'onde, ils ont la capacité d'effectuer des opérations logiques binaires et de servir efficacement de transistors. Ces photocommutables, Les chromophores bistables sont appelés photochromes.
Les deux formes que peut prendre chaque photochrome représentent les deux états qui servent de base à la réalisation des opérations logiques binaires. Diverses combinaisons des trois photochromes sous différentes formes isomères peuvent être utilisées pour effectuer l'arithmétique binaire, comme l'addition et la soustraction. Bien que les systèmes moléculaires précédents aient effectué de l'arithmétique binaire, la molécule FG-DTE est la première à pouvoir effectuer ces opérations en utilisant seulement deux entrées :la lumière avec des longueurs d'onde de 302 nm et 397 nm. Aussi, les trois photochromes peuvent être réinitialisés par irradiation de lumière verte (460-590 nm). Ces caractéristiques permettent à la molécule d'effectuer des additions et des soustractions en parallèle, simplement en faisant en sorte que la lumière convertisse les photochromes en différentes formes isomères.
"Toutes ces 13 opérations logiques partagent le même état initial, C'est, la molécule est toujours « remise » à un seul et même état par l'utilisation de la lumière verte, quelle que soit la fonction logique à exécuter, », a déclaré Andréasson. "C'est une autre caractéristique unique de notre molécule."
Les chercheurs ont également démontré que la molécule FG-DTE peut remplir des fonctions non arithmétiques. Par exemple, comme multiplexeur numérique, la molécule peut agir comme une imitation d'un commutateur rotatif mécanique pour connecter l'une quelconque de plusieurs entrées à une sortie. En tant que démultiplexeur, la molécule peut séparer deux signaux qui ont été multiplexés en une seule sortie.
Plus loin, la molécule FG-DTE peut effectuer des fonctions logiques séquentielles, dans lequel les entrées doivent être appliquées dans le bon ordre, comme pour un verrou de clavier. La molécule peut également fonctionner comme une porte de transfert en transférant l'état d'une entrée à celui d'une sortie, ce qui est utile pour les opérations de calcul compliquées. Les chercheurs ont également démontré que la molécule peut agir comme un encodeur et un décodeur, en compressant des informations numériques pour la transmission ou le stockage, puis récupérer les informations dans leur forme originale.
Alors que chacune de ces opérations logiques individuelles a déjà été effectuée par des systèmes moléculaires, la molécule FG-DTE est la première à les réunir tous en une seule plateforme moléculaire. Les transistors et autres dispositifs logiques plus traditionnels n'ont pas la même souplesse fonctionnelle, que les chercheurs attribuent à la capacité des chromophores à réagir différemment aux différentes longueurs d'onde de la lumière et à s'influencer mutuellement.
Quant aux candidatures, les chercheurs notent qu'il est peu probable que de tels dispositifs moléculaires remplacent bientôt les ordinateurs électroniques, mais ils pourraient avoir des applications en nanotechnologie et en biomédecine, comme pour le stockage de données, l'étiquetage et le suivi des micro-objets, et la libération programmée de médicaments.
« A court terme, des dispositifs de logique moléculaire viendront compléter, plutôt que de rivaliser avec, appareils électroniques, ", a déclaré Gust. « En principe, l'informatique moléculaire pourrait être mise en œuvre avec des tailles de commutateur extrêmement petites, puisque les unités opérationnelles sont des molécules. Les dispositifs moléculaires à commande photonique tels que celui que nous décrivons peuvent également être facilement reconfigurés pour exécuter une variété de fonctions logiques différentes, peut fonctionner à des vitesses élevées, et peut être disposé en trois dimensions, plutôt que les arrangements planaires habituellement trouvés dans l'électronique.
« Les dispositifs de logique moléculaire peuvent être utilisés là où les dispositifs électroniques ne le peuvent pas, », a-t-il ajouté. « Par exemple, ils peuvent être utilisés pour marquer et suivre les nanoparticules et les composants à l'échelle nanométrique d'organismes biologiques. D'autre part, la plupart des photochromes ne sont actuellement pas suffisamment stables pour résister au grand nombre de cycles requis pour un calcul utile à grande échelle. En outre, l'informatique complexe nécessitera des moyens pratiques pour les dispositifs logiques à l'échelle nanométrique de communiquer les uns avec les autres.
« De plus, l'application de la logique moléculaire dans les systèmes biologiques, comme le corps humain, est encore relativement inexploré, bien que les systèmes moléculaires soient mieux adaptés à cette fin que les appareils électroniques, », a déclaré Andréasson.
À l'avenir, les chercheurs prévoient de relever certains des plus grands défis auxquels la logique moléculaire est confrontée, tels que le câblage efficace (concaténation) des commutateurs logiques.
« L'un des enjeux majeurs de la logique moléculaire est la concaténation des opérations logiques, ", a déclaré Gust. « En électronique, cela peut être fait simplement en câblant la sortie d'un élément à l'entrée du suivant. Nous devons trouver des moyens d'obtenir des résultats similaires dans les molécules.
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