Τα μόρια αποφασίζουν

Οι υπολογιστές του μέλλοντος αντί για πυρίτιο ίσως χρησιμοποιούν μοριακές οργανικές ενώσεις

Οι σημερινοί υπολογιστές χρησιμοποιούν εξαρτήματα φτιαγμένα από κρυστάλλους πυριτίου. Είναι όμως πολύ πιθανό οι αυριανοί υπολογιστές να χρησιμοποιούν αντί για πυρίτιο πολύπλοκα μόρια οργανικών ενώσεων.

Η διαρκώς αυξανόμενη απαίτηση της αγοράς για ταχύτερους υπολογιστές, ικανούς να επιτελέσουν ολοένα πιο πολύπλοκες λειτουργίες, έχει ωθήσει τους ερευνητές σε αναζήτηση νέων τεχνολογιών αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφοριών, πέρα από αυτήν που επικρατεί σήμερα και στηρίζεται στις ιδιότητες των τρανζίστορ. Οι κεντρικοί επεξεργαστές των σύγχρονων υπολογιστών αποτελούνται από εκατοντάδες εκατομμύρια τρανζίστορ, «πακεταρισμένα» σε ένα κρύσταλλο πυριτίου μικρότερο από ένα εκατοστό. Η ικανότητά μας όμως να κατασκευάζουμε ολοένα μικρότερα κυκλώματα φαίνεται ότι πλησιάζει στα όριά της, οπότε αν θέλουμε «ισχυρότερους» υπολογιστές, χωρίς να αυξήσουμε το μέγεθος των εξαρτημάτων, θα πρέπει να αναζητήσουμε άλλους τρόπους αποθήκευσης και επεξεργασίας πληροφοριών. Μια κατεύθυνση που φαίνεται ότι μπορεί να μας οδηγήσει σε εντελώς νέα μορφή υπολογιστών είναι η εκμετάλλευση των ιδιοτήτων πολύπλοκων οργανικών μορίων.

Εδώ και λίγα χρόνια ένα σημαντικό κομμάτι της παγκόσμιας έρευνας έχει στραφεί στην ανάπτυξη τεχνολογίας που χρησιμοποιεί τα μικρότερα διαθέσιμα τεμάχια ύλης για την κατασκευή μιας μεγαλύτερης μηχανής. Το μικρότερο τεμάχιο ύλης μιας χημικής ένωσης είναι το μόριο, το οποίο αποτελείται από συνδυασμούς ατόμων που συνδέονται μεταξύ τους με ηλεκτρικές δυνάμεις. Ο απίστευτα μεγάλος αριθμός συνδυασμών ατόμων δίνει και αντίστοιχα μεγάλο αριθμό χημικών ενώσεων, οι οποίες μπορεί να έχουν ειδικές χαρακτηριστικές ιδιότητες, όπως για παράδειγμα τη γεύση (ζάχαρη), το άρωμα (αιθέρια έλαια) ή την τοξικότητα (υδροκυάνιο).

Εφαρμογές του φθορισμού

Εδώ και αρκετά χρόνια οι χημικοί προσπαθούν να εκμεταλλευθούν μια ιδιότητα που έχουν ορισμένα μόρια να εκπέμπουν φως ορισμένου μήκους κύματος ύστερα από κάποιο «ερέθισμα». Το φαινόμενο αυτό, ανάλογα με το μήκος κύματος και τον μηχανισμό εκπομπής του φωτός, ονομάζεται φωσφορισμός ή φθορισμός. Οι περισσότεροι έχει τύχει να παρατηρήσουμε αυτό το φαινόμενο όταν βλέπουμε στα παιδικά δωμάτια μικρά πλαστικά αστεράκια που διακοσμούν τους τοίχους «φωσφορίζοντας» στο σκοτάδι.

Ενας υπολογιστής μπορεί να επιτελέσει πολύπλοκες εργασίες, όπως είναι η περιπλάνηση στο Διαδίκτυο ή η συγγραφή ενός κειμένου, στο χαμηλότερο όμως επίπεδο όλες αυτές οι εργασίες επιτυγχάνονται μέσα από μία και μοναδική διαδικασία, δηλαδή τη σύγκριση δύο ψηφίων, που αποτελούν την είσοδο, και το αποτέλεσμα αυτής της σύγκρισης, που αποτελεί την έξοδο. Η κατάσταση μάλιστα είναι ιδιαίτερα απλή, επειδή οι υπολογιστές «καταλαβαίνουν» δύο μόνο ψηφία, το 0 και το 1. Στους σημερινούς υπολογιστές τα δύο αυτά ψηφία αντιστοιχούν στις καταστάσεις κατά τις οποίες διέρχεται ή δεν διέρχεται ρεύμα από ένα κύκλωμα. Σε έναν μοριακό υπολογιστή τα δύο ψηφία που αποτελούν την είσοδο μπορεί να αντιστοιχούν σε διαφορετικές χημικές ή φυσικές ιδιότητες του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται το μόριο, ενώ η έξοδος αντιστοιχεί στην εκπομπή ή όχι φθορισμού.

Η δυσκολία στην υλοποίηση ενός μοριακού υπολογιστή έγκειται στον σχεδιασμό και στη σύνθεση ενός μορίου που να συμπεριφέρεται διαφορετικά, ανάλογα με το ερέθισμα που δέχεται. Πρόσφατα για τη δουλειά αυτή προτάθηκε το μόριο μιας νέας πολύπλοκης οργανικής ένωσης, που αποτελείται από τρία διακριτά τμήματα. Το ένα άκρο του μορίου λειτουργεί ως είσοδος 1 και αλλάζει τη χημική δομή του με την επίδραση θερμότητας. Το άλλο άκρο του μορίου λειτουργεί ως είσοδος 2 και αλλάζει τη χημική δομή του με την ακτινοβόληση κόκκινου φωτός. Το ενδιάμεσο τμήμα είναι αυτό που φέρει την ιδιότητα του φθορισμού και, ανάλογα με τη χημική κατάσταση στην οποία βρίσκονται τα δύο γειτονικά τμήματα, μπορεί να φθορίζει ή όχι (έξοδος). Ετσι το μόριο αυτό επιτελεί την ίδια ακριβώς λειτουργία με ένα στοιχειώδες κύκλωμα ενός σημερινού ηλεκτρονικού υπολογιστή, με τη διαφορά ότι έχει πολύ μικρότερες διαστάσεις.

Χημικές κλειδαριές

Μια άλλη πρόσφατη εφαρμογή του φθορισμού ως στοιχείου «χημικής λογικής» είναι ένα μόριο που ανταποκρίνεται σε εξωτερικά ερεθίσματα μόνο αν τα τελευταία έχουν τη σωστή ακολουθία. Με τον τρόπο αυτόν απομιμείται τη συμπεριφορά μιας ηλεκτρονικής κλειδαριάς, που ανοίγει μόνο αν εισαχθούν τα σωστά ψηφία με τη σωστή σειρά. Το μόριο αυτό, που φέρει ένα ιόν τρισθενούς σιδήρου στην κοιλότητά του, έχει τρεις τρόπους να «αντιληφθεί» εξωτερικά ερεθίσματα: πρώτον, η προσθήκη διαλύματος μιας ουσίας που ονομάζεται EDTA απομακρύνει το ιόν του τρισθενούς σιδήρου (είσοδος 1)· δεύτερον, η προσθήκη βάσης αλλοιώνει τη χημική δομή ενός τμήματος του μορίου (είσοδος 2)· και, τρίτον, η έκθεση του μορίου σε ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος (είσοδος 3) οδηγεί σε φθορισμό (έξοδος). Αν τα εισερχόμενα σήματα ακολουθήσουν αυτή τη σειρά, τότε το μόριο εκπέμπει ισχυρή φθορίζουσα ακτινοβολία. Αν τα σήματα εισαχθούν με διαφορετική σειρά, τότε το μόριο φθορίζει με σημαντικά μικρότερη ένταση, επιτρέποντας έτσι τον διαχωρισμό της σωστής από τη λανθασμένη σειρά εισαγωγής των δεδομένων.

Το πιο πρόσφατο αποτέλεσμα της έρευνας σε αυτόν τον τομέα είναι ένα μόριο που ονομάζεται DCPP. Η ιδιότητα που το κάνει ξεχωριστό είναι η διαφορετική απόκρισή του σε διαφορετική ακολουθία των ίδιων σημάτων και η ικανότητα απομνημόνευσης μιας συγκεκριμένης ακολουθίας. Ετσι λοιπόν, αν προσθέσουμε σε διάλυμα του DCPP ένα άλλο διάλυμα που περιέχει ιόντα δισθενούς χαλκού (είσοδος 1) και στη συνέχεια προσθέσουμε διάλυμα ιόντων δισθενούς υδραργύρου (είσοδος 2), το μόριο DCPP δεν φθορίζει (έξοδος). Αντιστρέφοντας τη σειρά των ερεθισμάτων, δηλαδή προσθέτοντας πρώτα ιόντα υδραργύρου και μετά ιόντα χαλκού, το μόριο φθορίζει ισχυρά. Η κατάσταση αυτή διατηρείται (αποθηκεύεται) ώσπου να προστεθεί διάλυμα EDTA, το οποίο επαναφέρει το διάλυμα του DCPP στην αρχική του κατάσταση.

Τα παραπάνω αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν τους τελευταίους μήνες στο περιοδικό «Angewandte Chemie», ανοίγουν τον δρόμο για την ανάπτυξη μιας νέας τεχνολογίας, η οποία θα βασίζεται σε μοριακές ιδιότητες για την εκτέλεση λογικών πράξεων, τέτοιες που η τεχνολογία του πυριτίου δεν μπορεί να επιτελέσει. Οπως προφητικά παρατήρησε ο μεγάλος φυσικός Richard Feynman, «κανένας δεν μπορεί να προβλέψει τις δυνατότητες των μοριακών "επεξεργαστών", είναι όμως βέβαιο ότι θα είναι τελείως διαφορετικές από αυτές των επεξεργαστών της τεχνολογίας πυριτίου που χρησιμοποιούμε σήμερα».

Νατάσα Βάρβογλη  χημικός, MSc ΑΠΘ

www.tovima.gr