El nuevo dispositivo molecular tiene una reconfigurabilidad sin precedentes que recuerda a la plasticidad cerebral
En un descubrimiento publicado en la revista Nature,
un equipo internacional de investigadores ha descrito un nuevo dispositivo molecular con una destreza informática excepcional.
Con reminiscencias de la plasticidad de las conexiones en el cerebro humano, el dispositivo se puede reconfigurar sobre la marcha para diferentes tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, debido a que las células nerviosas pueden almacenar recuerdos, el mismo dispositivo también puede contener información para futuras recuperaciones y tratamientos.
“El cerebro tiene la notable capacidad de alterar su cableado estableciendo y rompiendo conexiones entre las células nerviosas. Lograr algo comparable en un sistema físico ha sido extremadamente difícil ”, dijo el Dr. R. Stanley Williams, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Texas A&M. «Ahora hemos creado un dispositivo molecular con una reconfigurabilidad espectacular, que se logra no cambiando las conexiones físicas como en el cerebro, sino reprogramando su lógica».
El Dr. T. su dispositivo molecular podría ayudar en el futuro a diseñar chips de procesamiento de próxima generación con una potencia y velocidad de cómputo mejoradas, pero consumiendo considerablemente menos energía.
Ya sea la computadora portátil familiar o una supercomputadora sofisticada, las tecnologías digitales se enfrentan a un enemigo común, el cuello de botella de von Neumann. Este retraso en el procesamiento informático es consecuencia de las arquitecturas informáticas actuales, en las que la memoria, que contiene datos y programas, está físicamente separada del procesador. Como resultado, las computadoras pasan mucho tiempo viajando entre los dos sistemas, lo que provoca el cuello de botella. Además, a pesar de las velocidades de procesador extremadamente rápidas, estas unidades pueden permanecer inactivas durante largos períodos de tiempo durante los períodos de intercambio de información.
Como alternativa a las piezas electrónicas convencionales utilizadas en el diseño de unidades de memoria y procesadores, los dispositivos llamados memristors ofrecen una forma de evitar el cuello de botella de von Neumann. Los memristores, como los hechos de dióxido de niobio y dióxido de vanadio, cambian de un aislante a un conductor a una temperatura establecida. Esta propiedad otorga a estos tipos de memristores la capacidad de realizar cálculos y almacenar datos.
Sin embargo, a pesar de sus muchas ventajas, estos memristores de óxido metálico están hechos de elementos de tierras raras y solo pueden operar bajo regímenes de temperatura restringidos. Por lo tanto, ha habido una búsqueda en curso de moléculas orgánicas prometedoras que puedan realizar una función memristiva comparable, dijo Williams.
El Dr. Sreebrata Goswami, profesor de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia, diseñó el material utilizado en este trabajo. El compuesto tiene un átomo de metal central (hierro) unido a tres moléculas orgánicas de fenil azo piridina llamadas ligandos.
«Se comporta como una esponja de electrones que puede absorber reversiblemente hasta seis electrones, lo que da como resultado siete estados redox diferentes», dijo Sreebrata. «La interconectividad entre estos estados es la clave para la reconfigurabilidad mostrada en este trabajo».
El investigador de la Universidad Nacional de Singapur, el Dr. Sreetosh Goswami, diseñó este proyecto creando un pequeño circuito eléctrico compuesto por una capa de 40 nanómetros de película molecular intercalada entre una capa de oro en la parte superior y un nanodisco infundido con oro e indio y óxido de estaño en la parte inferior. .
Al aplicar voltaje negativo al dispositivo, Sreetosh fue testigo de un perfil de voltaje de corriente diferente a todo lo que nadie había visto antes. A diferencia de los memristores de óxido metálico que pueden cambiar de metal a aislante con un solo voltaje fijo, los dispositivos moleculares orgánicos podrían cambiar de aislante a conductor a múltiples voltajes secuenciales discretos.
“Entonces, si piensa en el dispositivo como un interruptor de encendido y apagado, a medida que barrimos el voltaje de manera más negativa, el dispositivo primero pasó de encendido a apagado, luego de encendido a encendido, luego de encendido a apagado, luego de nuevo a encendido. Diré que nos volaron de nuestro asiento ”, dijo Venkatesan. “Tuvimos que convencernos de que lo que estábamos viendo era real. «
Sreetosh y Sreebrata estudiaron los mecanismos moleculares subyacentes al curioso comportamiento de conmutación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de la molécula orgánica que pudieran explicar las múltiples transiciones. Su investigación encontró que el barrido de voltaje negativo desencadenó una serie de eventos de reducción o ganancia de electrones que hicieron que la molécula pasara del estado apagado al estado encendido.
A continuación, para describir matemáticamente el perfil de corriente-voltaje extremadamente complejo del dispositivo molecular, Williams se desvió del enfoque convencional de ecuaciones basadas en la física básica. En cambio, describió el comportamiento de las moléculas usando un algoritmo de árbol de decisión con declaraciones «si-entonces-si no», una línea de código común en varios programas de computadora, especialmente en juegos.
“Los videojuegos tienen una estructura en la que un personaje hace algo y luego sucede algo como resultado. Entonces, si escribes eso en un algoritmo de computadora, son declaraciones si-entonces-si no ”, dijo Williams. «Aquí, la molécula cambia de un estado iluminado a otro debido al voltaje aplicado, y fue entonces cuando tuve el momento eureka de usar árboles de decisión para describir estos dispositivos, y funcionó realmente bien».
Pero los investigadores fueron más allá al aprovechar estos dispositivos moleculares para ejecutar programas para diversas tareas computacionales del mundo real. Sreetosh ha demostrado experimentalmente que sus dispositivos pueden realizar cálculos bastante complejos en un solo paso de tiempo y luego reprogramarse para realizar otra tarea en el siguiente instante.
“Fue bastante extraordinario; nuestro dispositivo estaba haciendo algo parecido a lo que hace el cerebro, pero de una manera muy diferente ”, dijo Sreetosh. “Cuando aprendes algo nuevo o cuando tomas una decisión, el cerebro puede reconfigurar y cambiar el cableado físico. Asimismo, lógicamente podemos reprogramar o reconfigurar nuestros dispositivos dándoles un pulso de voltaje diferente al que vieron antes.
Venkatesan señaló que se necesitarían miles de transistores para realizar las mismas funciones computacionales que uno de sus dispositivos moleculares con sus diferentes árboles de decisión. Por lo tanto, dijo que su tecnología podría usarse primero en dispositivos portátiles, como teléfonos celulares y sensores, y otras aplicaciones donde la energía es limitada.
Otros colaboradores de la investigación incluyen al Dr. Abhijeet Patra y al Dr. Ariando de la Universidad Nacional de Singapur; Dr. Rajib Pramanick y Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación India para la Cultura de la Ciencia; El Dr. Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; y el Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick, Irlanda.
Venkatesan dijo que esta investigación es indicativa de los hallazgos futuros de este equipo colaborativo, que incluirá el Centro de Nanociencia e Ingeniería del Instituto Indio de Ciencia y la División de Microsistemas y Nanotecnología del NIST.
