Komputer, smartfon, cyfrowy aparat fotograficzny – żadne z tych urządzeń
nie mogłoby działać bez układów pamięci. W typowych pamięciach
elektronicznych zera i jedynki są zapisywane, przechowywane i
odczytywane za pomocą zjawisk fizycznych, takich jak przepływ prądu czy
zmiana właściwości elektrycznych bądź magnetycznych nośnika. Dr inż.
Konrad Giżyński oraz prof. dr hab. Jerzy Górecki z Instytutu Chemii
Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie zademonstrowali
działającą pamięć innego typu, zbudowaną w oparciu o zjawiska chemiczne.
Pojedynczy bit jest tu przechowywany w trzech stykających się ze sobą
kroplach, między którymi stabilnie, cyklicznie i w ściśle określony
sposób propagują się fronty reakcji chemicznych.
Chemicznym fundamentem pamięci skonstruowanej przez badaczy z IChF PAN
są zachodzące w odpowiednio przygotowanych roztworach reakcje
Biełousowa-Żabotyńskiego. Przebieg tych reakcji ma charakter oscylacji:
gdy jeden cykl się kończy, w roztworze odtwarzają się reagenty niezbędne
do rozpoczęcia kolejnego cyklu. Nim reakcja ustanie, zwykle dochodzi do
kilkudziesięciu-kilkuset oscylacji. Towarzyszą im regularne zmiany
koloru roztworu, za które odpowiada ferroina, katalizator reakcji.
Drugim katalizatorem używanym przez warszawskich naukowców był ruten.
Wprowadzenie rutenu miało kluczowe znaczenie, ponieważ powoduje on, że
reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego staje się światłoczuła tj. przy
intensywnym oświetleniu roztworu światłem niebieskim przestaje on
oscylować. Cecha ta pozwala kontrolować przebieg reakcji.
„Nasz pomysł na chemiczne zapisywanie informacji był prosty. Z
wcześniejszych doświadczeń wiedzieliśmy, że gdy krople z reakcjami
Biełousowa-Żabotyńskiego się stykają, fronty chemiczne mogą propagować z
kropli do kropli. Postanowiliśmy więc poszukać jak najmniejszych
układów kropel, w których wzbudzenia mogłyby zachodzić na kilka
sposobów, przy czym przynajmniej dwa byłyby trwałe. Jednej sekwencji
wzbudzeń moglibyśmy wtedy przyporządkować wartość logiczną 0, drugiej 1,
a do przełączania układu między nimi, a więc do wymuszania określonej
zmiany stanu pamięci, używać światła”, wyjaśnia prof. Górecki.
Doświadczenia przeprowadzano w naczyniu wypełnionym cienką warstwą
roztworu lipidów w oleju (dekanie). Do tak przygotowanego układu za
pomocą pipety wprowadzano niewielkie ilości roztworu oscylującego.
Krople nanoszono w określone miejsca, nad końcówki światłowodów
doprowadzonych pod spód naczynia. Aby krople nie ześlizgiwały się znad
światłowodów, każdą unieruchomiono za pomocą kilku pręcików wystających z
dna naczynia.
Poszukiwania rozpoczęto od badań układów dwóch kropel. Mogą w nich
zachodzić cztery rodzaje (mody) oscylacji: kropla nr 1 pobudza kroplę nr
2, kropla nr 2 pobudza kroplę nr 1, obie krople wzbudzają się
jednocześnie, obie wzbudzają się naprzemiennie (tj. gdy jedna jest
wzbudzona, druga dopiero powraca do stanu, w którym będzie mogła się
ponownie wzbudzić).
„W układach dwóch kropel najczęściej jedna kropla wzbudzała drugą.
Niestety, zawsze stabilny był tylko jeden mod tego rodzaju, a my
potrzebowaliśmy dwóch”, mówi dr Giżyński i tłumaczy: „Obie krople
powstają z tego samego roztworu, ale nigdy nie mają dokładnie tych
samych rozmiarów. W efekcie w każdej kropli chemiczne oscylacje zachodzą
w nieco innym tempie. W takich przypadkach kropla oscylująca wolniej
zaczyna dopasowywać swój rytm do szybszej 'koleżanki'. Jeśli nawet
udawało się wymusić światłem, żeby kropla oscylująca wolniej pobudzała
kroplę oscylującą szybciej, układ i tak wracał do modu, w którym szybsza
kropla wzbudza wolniejszą”.
Naukowcy z IChF PAN zajęli się więc trójkami stykających się kropel,
rozmieszczonych na planie trójkąta (każda kropla stykała się zatem z
dwiema sąsiednimi). Fronty chemiczne mogą tu się propagować na wiele
sposobów: krople mogą oscylować jednocześnie, w przeciwfazach, dwie
krople mogą oscylować jednocześnie i wymuszać oscylacje w trzeciej itp.
Badaczy najbardziej ciekawiły mody rotacyjne, gdy fronty chemiczne
przechodziły z kropli do kropli w sekwencji 1-2-3 lub w odwrotnym
kierunku (czyli 3-2-1).
Kropla, w której zachodzi reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego, wzbudza się
szybko, lecz znacznie dłużej powraca do stanu początkowego i dopiero gdy
go osiągnie można ją wzbudzić ponownie. Gdyby więc w modzie 1-2-3
wzbudzenie doszło do kropli nr 3 zbyt szybko, nie przedostałoby się do
kropli nr 1 by zainicjować nowy cykl, ta bowiem nie zdążyłaby
„odpocząć”. W rezultacie mod rotacyjny by zanikł. Badacze z IChF PAN
skoncentrowali się na modach rotacyjnych zdolnych do wielokrotnego
powtórzenia cyklu wzbudzeń. Miały one dodatkową zaletę: krążące między
kroplami fronty chemiczne przypominają falę spiralną, a fale tego typu
cechują się zwiększoną stabilnością.
Eksperymenty wykazały, że oba badane mody rotacyjne są trwałe i jeśli
układ wejdzie w jeden z nich, pozostaje w nim aż do ustania reakcji
Biełousowa-Żabotyńskiego. Potwierdzono też, że właściwie dobierając czas
i długość oświetlenia odpowiednich kropel można zmieniać kierunek
rotacji wzbudzeń. Układ trzech kropel, wielokrotnie obieganych przez
fronty chemiczne, był więc zdolny do trwałego przechowywania jednego z
dwóch stanów logicznych.
„Tak naprawdę nasz chemiczny bit ma nieco większe możliwości niż bit
klasyczny. Mody rotacyjne, których używaliśmy do zapisu stanów 0 i 1,
miały najkrótsze czasy oscylacji, równe odpowiednio 18,7 s i 19,5 s.
Jeśli więc układ oscylował jakkolwiek wolniej, można było mówić o
dodatkowym, trzecim stanie logicznym”, komentuje dr Giżyński i zauważa,
że ów trzeci stan mógłby być stosowany nie do przechowywania informacji,
a na przykład do weryfikowania poprawności zapisu.
Badania nad pamięcią zbudowaną z oscylujących kropel, sfinansowane ze
środków Narodowego Centrum Nauki, miały charakter podstawowy i służyły
wyłącznie zademonstrowaniu, że trwałe przechowywanie informacji za
pomocą reakcji chemicznych jest możliwe. W nowo powstałej pamięci
reakcje odpowiadały jedynie za utrzymanie informacji, podczas gdy jej
zapis i odczyt nadal wymagały metod fizycznych. Nim zostanie
skonstruowana w pełni chemiczna pamięć, która mogłaby się stać częścią
przyszłego chemicznego komputera, najprawdopodobniej upłynie jeszcze
wiele lat.
Informacja prasowa zrealizowana ze środków europejskiego grantu ERA Chairs w ramach programu Horizon 2020.
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:
