Когда мы читаем научную фантастику или смотрим фильм подобного жанра, нам на глаза частенько попадаются компьютеры будущего. Авторы этих произведений наделяли свои вымышленные вычислительные машины всевозможными свойствами, от невообразимой вычислительной мощности до человеческих качеств. Чего стоит вполне человеческое расстройство как паранойя, которой «страдал» HAL 9000 из цикла произведений «Космическая одиссея» Артура Кларка. Однако сегодня речь пойдет не об умственных, точнее сказать вычислительных способностях машин будущего, а об их физической структуре. Что если будущие компьютеры больше не будут привязаны к кремнию, а смогут функционировать в виде жидкости? Именно это и является основным вопросом исследования, с которым мы и будем знакомиться сегодня. Поехали.

Материальная база

«Жидкий» компьютер, как бы дико не звучало это словосочетание, не является новой идеей в мире науки. Уже несколько десятилетий ведутся исследования, пытающиеся тем или иным способом реализовать подобную футуристическую технологию. Ученые из NIST (Национальный институт стандартов и технологий) не стали исключением. Их исследование продемонстрировало, что вычислительные логические операции могут выполняться в жидкой среде путем управляемого захвата ионов в *графене**, плавающем в солевом растворе.

**Графен*** — это тонкая пленка (толщиной в 1 атом) из атомов углерода, соединенных в гексагональную (сотовую) двумерную кристаллическую решётку.

Во время опытов было замечено, что пленка графена приобретает свойства полупроводника на основе кремния, то есть может выполнять функцию транзистора. Чтобы контролировать пленку, необходимо изменять напряжение. А этот процесс очень схож с тем, что происходит при изменении концентрации солей в биологических системах.

Пленка графена: 29×29 см, толщина — 35 мкм. Стоит, кстати, порядка 65 долларов на штуку

Центром внимания конечно же была пленка графена, размеры которой составляли не более 5.5 на 6.4 нм. По своей структуре пленка была словно незаконченный пазл, поскольку в середине нее было одно или несколько «отверстий» (пор), точнее сказать вакансий, окруженных атомами кислорода. Это и есть ловушка для ионов. С точки зрения химии подобное атомное соединение схоже с краун-эфирами, которые известны, помимо прочего, еще и тем, что образуют стойкие комплексы с катионами металлов. То есть «ловят» положительно заряженные ионы металлов.

Молекулярная структура хлорида калия (KCl)

Вторым важным элементом эксперимента была жидкая среда, роль которой исполнила вода с хлоридом калия (KCl), распадающимся на ионы калия и хлора.

Краун-эфиры ловили ионы калия, поскольку последние имеют положительный заряд.

Графен — жидкость — напряжение

Эксперименты показали, что основным фактором, влияющим на выполнение простейших логических операций, является напряжение, возникающее на пленке графена. При низком уровне концентрации хлорида калия проявляется прямая зависимость между проводимостью и заполненностью пленки ионами. При низкой заполнености уровень проводимости высокий, и наоборот. Прямое электрическое измерение уровня напряжения пленки графена в данном эксперименте является определенной логической операцией — чтение.

Графическая модель результата улавливания ионов калия (фиолетовый) в порах, окруженных кислородом (красный), на пленке графена (серый)

Теперь давайте разберемся с нулями и единицами. Если при определенной концентрации хлорида калия на пленке напряжение низкое (обозначаем его как «0»), то сама пленка практически непроводящая. Другими словами она выключена. В данном случае поры полностью заполнены ионами калия.

Высокое напряжение (более 300 мВ), обозначаемое как «1», увеличивает проводимость пленки, переводя ее во включенный режим. В таком случае не все поры заняты ионами калия.

Как следствие, соотношение вход/выход можно рассматривать как логические ворота NOT, когда значения входа и выхода меняются на противоположные. Проще говоря, 0 входит, а 1 выходит, и наоборот.

Если же используется две пленки графена, то возможна логическая операция OR (XOR). В такой ситуации разница состояний двух пленок, именуемая входящим значением, будет равна 1 только в том случае, если одна из пленок обладает высокой проводимостью. Другими словами, мы получим 1, если входящие данные от двух пленок разные, и 0, если данные совпадают.

Опыты также показали возможность реализации чувствительного переключения, поскольку даже при незначительном изменении напряжения потенциальный заряд пленки сильно меняется. Это натолкнуло исследователей на мысль, что настраиваемое ионное улавливание можно использовать и для хранения информации, так как чувствительные транзисторы могут выполнять крайне сложные вычислительные операции в нанофлюидных устройствах.

Демонстрационное видео процесса улавливания ионов калия

Процесс улавливания ионов не такой самостоятельный, как может показаться. Его можно регулировать посредством применения разного напряжения по поверхности пленки.

Также удалось выяснить, что ионы, «застрявшие» в поре пленки не только блокируют проникновение через пленку других ионов, но и создают электрическое поле вокруг пленки. Дабы ион мог пройти через пленку, напряжение должно быть предельного уровня. Электрическое поле пойманных ионов увеличивает напряжение на 30 мВ, что полностью блокирует проникновение других ионов.

Логические операции OR (XOR) и NOT

Если применить к пленке напряжение менее 150 мВ, ионы перестанут проникать через нее. А электрическое поле пойманных ионов мешает другим ионам вытолкнуть первых из краун-эфиров. При напряжении в 300 мВ пленка начинает пропускать ионы. Чем выше напряжение, тем больше вероятность потери пойманных ионов. Блуждающие ионы также начинают активно выталкивать пойманных, поскольку слабее электрическое поле. Эти свойства делают пленку отличным полупроводником для передачи ионов калия.

Эпилог

Самым важным физическим моментом возможного устройства на основе данной техники является его физический размер, который не должен превышать несколько атомов, и наличие электропроводимости. Не только графен может быть основой, а и другие материалы. Как альтернативный вариант исследователи предлагают различные варианты дихалькогенидов металлов, поскольку они обладают водоотталкивающими свойствами, и из них легко формировать пористые структуры.

Конечно, это футуризм, но не без аргументов в свою поддержку. Подобного рода исследования не только дают нам инструменты для понимания тех или иных явлений, процессов или веществ, но и ставят перед нами задачи, на первый взгляд безумные и невыполнимые, выполнение которых позволяет совершенствовать окружающий мир.

Нам еще долго прийдется ждать «жидких» компьютеров, серверов в стакане и флешек в колбах. Однако мы уже сейчас получаем самое важное для будущего нас и мира в целом, — знания. Для написания статьи были использованы материалы с сайта NIST