W odpowiednich warunkach we wnętrzu kropli mogą zachodzić oscylujące
reakcje chemiczne. Jeśli kropel jest więcej i się stykają, powstające
fale chemiczne są w stanie przeniknąć do sąsiednich kropel i rozchodzą
się w całym kompleksie. Zjawisko jest znane, próbuje się je używać m.in. do chemicznego przetwarzania informacji. To, co dzieje się z informacją w układzie wielu kropel, ściśle zależy m.in.
od ich rozmieszczenia względem siebie. Dotychczas nie bardzo było
wiadomo, jak projektować kształt kompleksów mikrokropel, by te
realizowały konkretne zadania. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF
PAN) w Warszawie zaproponowano więc nowatorską strategię działania.
Zamiast mozolnie projektować złożone układy mikrokropel do określonego
celu, lepiej najpierw wyprodukować układ, a potem spróbować nauczyć go
czegoś użytecznego.
„Przyjęliśmy strategię z wielką efektywnością stosowaną przez naturę.
Spójrzmy choćby na siebie. Przecież nasz mózg nie wyewoluował po to,
żeby np. rozpoznawać litery! Najpierw powstał, dopiero potem nauczył się
czytać i pisać. Dlaczego w podobny sposób nie podejść do złożonych
układów mikrokropel, skoro wiemy, że też przetwarzają informację? Nasza
propozycja jest więc następująca: najpierw wyprodukujmy układ chemicznie
oddziałujących mikropel, a dopiero potem sprawdźmy, co też może on
umieć!”, mówi prof. dr hab. Jerzy Górecki (IChF PAN).
Badania nad chemicznym przetwarzaniem informacji przez układy
mikrokropel, finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego, Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Unii Europejskiej,
przeprowadzono z użyciem reakcji oscylacyjnej Biełousowa-Żabotyńskiego.
Gdy odpowiednio dobierze się warunki tej reakcji, w reagującym roztworze
pojawia się front chemiczny, wędrujący w przestrzeni. Reakcje
oscylacyjne są powszechne w organizmach żywych. U ludzi na etapie
rozwoju zarodkowego formują zalążki kręgów kręgosłupa, u dorosłych
odpowiadają m.in. za skurcze mięśnia sercowego.
„W przypadku reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego przejściu frontu
chemicznego towarzyszą zmiany stężeń jonów prowadzące do zmiany koloru
roztworu. Gdy reakcja zachodzi wewnątrz kropli, pod mikroskopem widać w
niej wyraźne, rozchodzące się na wszystkie strony pulsy. Im większa
kropla, tym częściej pulsuje”, wyjaśnia doktorant Konrad Giżyński (IChF
PAN).
Chemiczne pulsy w układzie stykających się kropel rozchodzą się w nim
bardzo podobnie jak pobudzenia elektryczne we włóknach nerwowych.
Naukowcy z IChF PAN użyli częstotliwości pulsów w poszczególnych
kroplach do kodowania informacji: duża częstotliwość odpowiadała
wartości TRUE, mała – wartości FALSE. W celu kontrolowania pulsów, a
więc m.in. do
wprowadzania danych, wykorzystano wrażliwość reakcji zachodzących w
kroplach na niebieskie światło: w oświetlonych nim kroplach reakcje
całkowicie zamierają.
Za pomocą symulacji komputerowych zbadano możliwości obliczeniowe
płaskiej matrycy stykających się mikrokropel ułożonych w kwadrat 5x5. W
obrębie matrycy wyróżniono krople do wprowadzania danych oraz krople
przetwarzające informację. Dane wprowadzano symulując odpowiednio długie
naświetlanie kropel wejściowych. Uczenie polegało na selektywnym
wstrzymywaniu reakcji zachodzących w kroplach (w rzeczywistym układzie
wstrzymywanie także odbywałoby się za pomocą światła). Za podającą
odpowiedź naukowcy uznawali tę kroplę, której oscylacje najlepiej
zgadzały się z poprawną odpowiedzią. Celem procesu uczenia było takie
dobranie czasów oświetlenia wszystkich kropli w układzie, aby otrzymać
największą liczbę dobrych odpowiedzi dla wszystkich rekordów w bazie.
Symulowana matryca oscylujących mikrokropel klasyfikowała nowotwory
opisane w bazie CANCER. Baza ta składa się z 699 rekordów, wśród których
66% odpowiadało komórkom nowotworów łagodnych. Oznacza to, że mówiąc w
ciemno na widok kolejnego wpisu: „Nie przejmuj się, twój nowotwór nie
jest złośliwy” mamy 66% szansy na poprawną odpowiedź.
„Nasz chemiczny komputerek odpowiadał poprawnie w ponad 90% przypadków.
To bardzo dobry wynik, dowodzący skuteczności przyjętej przez nas
strategii. Nie jest całkowicie jednoznaczny, ale nawet komputer
klasyczny nie musi dać właściwej odpowiedzi dla przypadków spoza bazy.
Zresztą i my, ludzie, także nie zawsze podejmujemy właściwe decyzje”,
mówi prof. Górecki.
Układy mikrokropel przetwarzających informację można budować za pomocą
przyrządów mikrofluidycznych. Zazwyczaj są to niewielkie płytki z
przezroczystego tworzywa sztucznego, w których przez system odpowiednio
zaprojektowanych kanalików płynie ciecz nośna, unosząca kropelki innych,
niemieszających się z nią cieczy. W takich układach stosunkowo łatwo
można wytwarzać krople różniące się rozmiarami, stężeniami substratów, a
nawet samymi substratami.
„Potrafimy w kontrolowany i powtarzalny sposób rozmieszczać mikrokrople w
przestrzeni, na przykład zamykając wiele kropel jednej cieczy wewnątrz
kropli innej cieczy – i to tak, że wybrana kropla ma zawsze tych samych
sąsiadów. Co więcej, dysponujemy także technikami, które pozwalają
wpływać na szybkość wymiany substancji chemicznych przez błony
stykających się kropel”, opisuje prof. dr hab. Piotr Garstecki (IChF
PAN) i jako przykład podaje niedawno wykonany w jego laboratorium układ
dziewięciu mikrokropel zamkniętych wewnątrz innej kropli.
Układy przetwarzające informację chemicznie nie zastąpią elektroniki
użytkowej – są zbyt wolne. Do ich ważnych zalet należy jednak zdolność
do równoległego przetwarzania informacji oraz potencjalna możliwość
pracy w ekstremalnych środowiskach, np. o znacznym ciśnieniu i/lub
wysokiej temperaturze, czyli tam, gdzie zawodzi współczesna elektronika.
Ciekawą perspektywą są inteligentne lekarstwa, reagujące na wiele
czynników wewnątrz organizmu i uaktywniające się wyłącznie w
specyficznych, ściśle ustalonych sytuacjach. Komputery chemiczne oferują
jednak jeszcze więcej: teoretycznie mogłyby powstawać z wykorzystaniem
zjawiska samoorganizacji. Możliwość ta pozwala myśleć m.in.
o futurystycznych sondach kosmicznych, zdolnych samodzielnie budować
swoje kluczowe podzespoły z surowców dostępnych na innych planetach.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (
http://www.ichf.edu.pl/)
został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów
chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z
najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki
chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w dziewięciu zakładach
naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN
wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do
zastosowań m.in. w rolnictwie i farmacji. Instytut publikuje około 200 oryginalnych prac badawczych rocznie.
poleca:
