Revigorant l'idée d'ordinateurs basés sur des fluides au lieu du silicium, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont montré comment des opérations de logique informatique pouvaient être effectuées dans un milieu liquide en simulant le piégeage d'ions (atomes chargés) dans du graphène (une feuille d'atomes de carbone) flottant dans une solution saline. Le schéma peut également être utilisé dans des applications telles que la filtration de l'eau, stockage d'énergie ou technologie des capteurs.

L'idée d'utiliser un milieu liquide pour l'informatique existe depuis des décennies, et diverses approches ont été proposées. Parmi ses avantages potentiels, cette approche nécessiterait très peu de matériel et ses composants souples pourraient se conformer à des formes personnalisées, par exemple, le corps humain.

Les opérations logiques et transistorisées à base d'ions du NIST sont de conception plus simple que les propositions précédentes. Les nouvelles simulations montrent qu'un film spécial immergé dans un liquide peut agir comme un semi-conducteur solide à base de silicium. Par exemple, le matériau peut agir comme un transistor, le commutateur qui effectue des opérations logiques numériques dans un ordinateur. Le film peut être allumé et éteint en ajustant les niveaux de tension comme ceux induits par les concentrations de sel dans les systèmes biologiques.

"Les appareils précédents étaient beaucoup plus élaborés et complexes, " Le théoricien du NIST Alex Smolyanitsky a déclaré. "Ce que cette approche de piégeage d'ions permet d'atteindre, c'est la simplicité conceptuelle. En outre, le même dispositif exact peut agir à la fois comme un transistor et un dispositif de mémoire - tout ce que vous avez à faire est de commuter l'entrée et la sortie. C'est une caractéristique qui vient directement du piégeage d'ions."

Les simulations de dynamique moléculaire du NIST se sont concentrées sur une feuille de graphène de 5,5 sur 6,4 nanomètres (nm) et avec un ou plusieurs petits trous bordés d'atomes d'oxygène. Ces pores ressemblent à des éthers couronnes, des molécules circulaires électriquement neutres connues pour piéger les ions métalliques. Le graphène est un feuillet d'atomes de carbone disposés en hexagones, de forme similaire à du grillage, qui conduit l'électricité et pourrait être utilisé pour construire des circuits. Cette conception hexagonale semble se prêter aux pores, et en fait, d'autres chercheurs ont récemment créé des trous en forme de couronne dans le graphène en laboratoire.

Dans les simulations du NIST, le graphène a été mis en suspension dans de l'eau contenant du chlorure de potassium, un sel qui se divise en ions potassium et sodium. Les pores de l'éther couronne ont été conçus pour piéger les ions potassium, qui ont une charge positive. Les simulations montrent que le piégeage d'un seul ion potassium dans chaque pore empêche toute pénétration d'ions libres supplémentaires à travers le graphène, et que l'activité de piégeage et de pénétration peut être réglée en appliquant différents niveaux de tension à travers la membrane, créer des opérations logiques avec des 0 et des 1 (voir encadré ci-dessous).

Les ions piégés dans les pores bloquent non seulement la pénétration supplémentaire des ions, mais créent également une barrière électrique autour de la membrane. À seulement 1 nm de la membrane, ce champ électrique renforce la barrière, ou l'énergie nécessaire au passage d'un ion, de 30 millivolts (mV) au-dessus de celle de la membrane elle-même.