1 سپتامبر 2021 توسط دانشگاه A&M تگزاس، اعتبار: Pixabay/CC0 دامنه عمومی
در کشفی که در مجله نیچر منتشر شد، یک تیم بین المللی از محققان یک دستگاه مولکولی جدید با قدرت محاسباتی استثنایی را توصیف کرده‌اند.
با یادآوری شکل پذیری اتصالات در مغز انسان، می‌توان دستگاه را برای انجام کارهای محاسباتی مختلف به سادگی با تغییر ولتاژهای اعمال شده پیکربندی کرد. علاوه بر این، همانطور که سلول‌های عصبی می‌توانند خاطرات را ذخیره کنند، همان دستگاه می‌تواند اطلاعات را برای بازیابی و پردازش در آینده حفظ کند.
دکتر R. Stanley Williams، پروفسور بخش برق و کامپیوتر دانشگاه تگزاس می‌گوید: «مغز توانایی قابل توجهی در تغییر اتصالات خود با ایجاد و قطع ارتباط بین سلول‌های عصبی دارد. دستیابی به چیزی که در یک سیستم فیزیکی قابل مقایسه باشد بسیار چالش برانگیز بوده است. ما در حال حاضر یک دستگاه مولکولی با قابلیت تنظیم مجدد چشمگیر ایجاد کرده‌ایم، که نه با تغییر اتصالات فیزیکی مانند مغز، بلکه با برنامه ریزی مجدد منطق آن به دست می‌آید.»
دکتر T. Venkatesan ، مدیر مرکز تحقیقات و فناوری کوانتومی (CQRT) در دانشگاه اوکلاهما، وابسته علمی در موسسه ملی استاندارد و فناوری، گایترزبورگ و استاد جانبی مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه ملی سنگاپور، افزود که دستگاه مولکولی آن‌ها ممکن است در آینده به طراحی تراشه‌های پردازش نسل بعدی با قدرت محاسباتی و سرعت بالا، اما مصرف انرژی به میزان قابل توجهی کمک کند.
چه لپ تاپ باشد و چه یک ابر رایانه پیچیده، فناوری‌های دیجیتال با یک دشمن مشترک، یعنی تنگنای فون نویمان روبرو هستند. این تأخیر در پردازش محاسباتی، نتیجه معماری رایانه‌ای فعلی است که در آن حافظه، حاوی داده‌ها و برنامه‌ها، از نظر فیزیکی از پردازنده جدا می‌شود. در نتیجه، کامپیوترها زمان قابل توجهی را صرف انتقال اطلاعات بین دو سیستم می‌کنند و باعث ایجاد تنگنا می‌شوند. همچنین، با وجود سرعت بسیار بالای پردازنده، این واحدها می‌توانند برای مدت طولانی در طول دوره‌های تبادل اطلاعات در حالت بیکاری بمانند.
به عنوان جایگزینی برای قطعات الکترونیکی معمولی که برای طراحی واحدهای حافظه و پردازنده‌ها استفاده می‌شود، دستگاه‌هایی به نام ممریستور راهی برای دور زدن تنگنای فون نویمان ارائه می‌دهند. ممریستورها، مانند آن‌هایی که از دی اکسید نیوبیوم و دی اکسید وانادیوم ساخته شده‌اند، از یک عایق به یک رسانا در دمای تنظیم شده تبدیل می‌شوند. این ویژگی به این نوع ممریستورها امکان انجام محاسبات و ذخیره داده‌ها را می‌دهد.
با این حال، علیرغم مزایای بسیار، این ممریستورهای اکسید فلز از عناصر خاکی کمیاب ساخته شده‌اند و فقط می‌توانند در رژیم‌های محدود کننده دما کار کنند. ویلیامز گفت از این رو، جستجوی مکرر برای یافتن مولکول‌های آلی امیدوار کننده که بتوانند عملکرد یادگیری قابل مقایسه‌ای را انجام دهند، در حال انجام است.
دکتر Sreebrata Goswami ، استاد انجمن هند برای پرورش علم، مواد مورد استفاده در این کار را طراحی کرده است. این ترکیب دارای یک اتم فلز مرکزی (آهن) متصل به سه مولکول آلی فنیل آزو پیریدین به نام لیگاند است.
سریبراتا می‌گوید: «این مانند یک اسفنج الکترون عمل می‌کند که می‌تواند تا 6 الکترون را به صورت برگشت پذیر جذب کند و در نتیجه هفت حالت مختلف اکسیداسیون و کاهش را ایجاد می‌کند. ارتباط متقابل بین این حالت‌ها کلید اصلی پیکربندی مجدد نشان داده شده در این کار است.»
دکتر سریتوش گسوامی، محقق در دانشگاه ملی سنگاپور، این پروژه را با ایجاد یک مدار الکتریکی کوچک متشکل از یک لایه 40 نانومتری از فیلم مولکولی که بین یک لایه طلا در بالا و نانودیسک و اکسید قلع ایندیوم با طلا تزریق شده است، طراحی کرد.
در هنگام اعمال ولتاژ منفی بر روی دستگاه، سریتوش شاهد پروفایل ولتاژ فعلی بود که شبیه هیچ موردی پیش از این نبود. برخلاف ممریستورهای اکسید فلز که فقط در یک ولتاژ ثابت می‌توانند از فلز به عایق تبدیل شوند، دستگاه‌های مولکولی آلی می‌توانند در چندین ولتاژ متوالی گسسته از عایق به هادی از این سو به جلو و عقب تبدیل شوند.
«بنابراین، اگر شما دستگاه را یک سوئیچ خاموش و روشن می‌دانید، زیرا ما ولتاژ را منفی‌تر می‌کردیم، دستگاه ابتدا از روشن به خاموش، سپس خاموش به روشن، سپس خاموش و سپس دوباره روشن می‌شود. ونکاتسان گفت: «ما باید خودمان را متقاعد کنیم که آن‌چه می‌بینیم واقعی است.»
سریتوش و سربراتا با استفاده از یک تکنیک تصویربرداری به نام طیف سنجی رامان، مکانیسم‌های مولکولی را که در رفتار تعویض کنجکاو قرار دارند، مورد بررسی قرار دادند. به طور خاص، آن‌ها در حرکت ارتعاشی مولکول آلی به دنبال امضاهای طیفی بودند که بتواند تغییرات متعدد را توضیح دهد. تحقیقات آن‌ها نشان داد که جابجایی منفی ولتاژ باعث شد که لیگاندهای مولکول تحت مجموعه‌ای از رویدادهای کاهش یا به دست آوردن الکترون قرار بگیرند که باعث انتقال مولکول بین حالت خاموش و روشن می‌شود.
