Elaboran la primera unidad de memoria química de un bit: el ‘quit’

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En informática clásica la información se almacena en bits; en informática cuántica, en bits cuánticos, es decir, qubits. Experimentos en el Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias en Varsovia han demostrado que no sólo la física, sino también la química es adecuada para almacenar información. El papel del bit químico, el ‘quit’, puede ser satisfecho por una disposición simple de tres gotitas en contacto entre sí, en las que se producen reacciones oscilatorias.

Los ordenadores, los teléfonos inteligentes, las cámaras digitales… ninguno de estos dispositivos podría funcionar sin chips de memoria. En la memoria electrónica típica, los ceros y unos son registrados, almacenados y leídos por fenómenos físicos como pueden ser flujos de electricidad o cambios en las propiedades eléctricas o magnéticas del medio. El Dr. Konrad Gizynski y el Prof. Jerzy Gorecki del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPC PAS) de Varsovia han demostrado una memoria funcional de otro tipo, basada en fenómenos químicos. Aquí se almacena un solo bit en tres gotitas adyacentes, entre las que se propagan frentes de reacción química de forma constante, cíclica y de una manera estrictamente definida. Sus resultados han sido publicados en la revista Physical Chemistry Chemical Physics.

Los fundamentos químicos de la memoria construida por los investigadores de IPC PAS es la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ). El curso de la reacción es oscilatorio: cuando se termina un ciclo, los reactivos necesarios para iniciar el siguiente ciclo se reconstituyen en la solución. Antes de que se detenga la reacción, normalmente se suceden entre varias decenas y cientos de oscilaciones. Se acompañan de un cambio regular en el color de la solución, causado por la ferroína: el catalizador de la reacción. El segundo catalizador utilizado por los investigadores de Varsovia fue el rutenio. La introducción de rutenio fue de suma importancia ya que hace que la reacción BZ se vuelva fotosensible: cuando la solución se ilumina con luz azul, deja de oscilar. Esta característica hace posible controlar el curso de la reacción.

(Imagen ampliable) Tres gotitas contiguas almacenan información binaria en la dirección de rotación de los frentes químicos. El curso de la reacción se puede controlar por la luz (bola amarilla). Imagen: IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski, Mayer Billiards de bilard.com.pl

“Nuestra idea para el almacenamiento químico de la información fue simple. Partiendo de nuestros experimentos anteriores sabíamos que cuando las gotas de Belousov-Zhabotinsky se encuentran en contacto, los frentes químicos se pueden propagar de gotita a gotita, así que decidimos buscar el sistema de gotas más pequeño en el que las excitaciones pudieran suceder de varias maneras, de las que al menos dos fueran estables. Así pues, pudimos asignar a una secuencia de excitaciones dada un valor lógico de 0, y al otro de 1, y con el fin de provocar cambios entre ellos, es decir, con el fin de forzar un cambio particular en el estado de la memoria, pudimos utilizar luz “, explica el profesor Gorecki.

Los experimentos se llevaron a cabo en un recipiente lleno con una capa delgada de solución lipídica en aceite (decano). Se añadieron pequeñas cantidades de solución oscilante al sistema con una pipeta formando gotitas que se colocaron sobre los extremos de fibras ópticas conectadas a la base del recipiente. Para mantener las gotitas constantemente sobre las fibras ópticas, cada una fue inmovilizada por varias varillas que sobresalían de la base del recipiente.

La búsqueda comenzó con un estudio de pares de gotitas acopladas. Se pueden dar cuatro tipos (modos) de oscilación diferente: la gotita 1 excita la gotita 2, la gotita 2 excita la gotita 1, ambas gotitas se excitan entre sí simultáneamente, ambas se excitan alternativamente (es decir, cuando una está excitada, la otra está en fase refractaria).

“En los sistemas de gotitas emparejadas, la mayoría de las veces una gotita excitaba a la otra”, explica el Dr. Gizynski. “Ambas gotas están hechas de la misma solución, pero nunca tienen exactamente las mismas dimensiones, por lo que en cada gotita las oscilaciones químicas ocurren a un ritmo ligeramente diferente: En este caso la gota que oscila más lentamente comienza a ajustar su ritmo a su ‘amiga’, que oscila más rápido. Incluso si fuera posible por medio de luz forzar a la gotita que oscila más lentamente a excitar a la que oscila más rápido, el sistema volvería en cualquier caso al modo en el que la gotita más rápida estimularía a la más lenta”.

En esta situación, los investigadores de IPC PAS investigaron tripletes de gotitas colindantes dispuestas en un triángulo (así cada gotita se encontraba en contacto con sus dos vecinas). En esta disposición, los frentes químicos pueden propagarse de muchas maneras: las gotitas pueden oscilar simultáneamente, en anti-fase, dos gotitas pueden oscilar simultáneamente y forzar oscilaciones en la tercera, etc. El interés de los investigadores se centraba ​​en los modos de rotación, en los cuales los frentes químicos pasaban de una gotita a la otra en una secuencia 1-2-3 o en la dirección opuesta (3-2-1).

Una gotita en la que se desarrolla la reacción de Belousov-Zhabotinsky se excita rápidamente, pero tarda mucho más en volver a su estado inicial y sólo cuando lo ha alcanzado puede volverse a excitar. Así que si en el modo 1-2-3 la excitación llegara a la gotita 3 demasiado rápido, no llegaría a la gotita 1 para iniciar un nuevo ciclo, porque la gotita 1 no tendría suficiente tiempo para “descansar”. Como resultado, el modo de rotación desaparecería. Los investigadores de IPC PAS sólo estaban interesados ​​en aquellos modos de rotación que fueran capaces de múltiples repeticiones del ciclo excitado. Tenían una ventaja adicional: los frentes químicos que circulan entre las gotitas se asemejan a una onda espiral, y las olas de este tipo se caracterizan por una mayor estabilidad.

Los experimentos mostraron que ambos modos de rotación estudiados son estables y si un sistema entra en uno de ellos, permanece en él hasta que la reacción de Belousov-Zhabotinsky cesa. También se demostró que al seleccionar correctamente el tiempo y la longitud de iluminación de ciertas gotitas, se puede cambiar la dirección de rotación de las excitaciones. El sistema triplete de gotitas, con múltiples frentes químicos, era así capaz de almacenar permanentemente uno de dos estados lógicos.

“De hecho, nuestro bit químico tiene un potencial ligeramente mayor al bit clásico. Los modos de rotación que usamos para registrar los estados de 0 y 1 experimentaron períodos de oscilación más cortos de 18,7 y 19,5 segundos, respectivamente. Así pues, si el sistema oscilara más lentamente, se podría hablar de un tercer estado lógico adicional”, comentó el Dr. Gizynski, quien señala que este tercer estado podría utilizarse, no para almacenar información, sino, por ejemplo, para verificar la validez de la grabación.

Esta investigación sobre memoria constituida por gotitas oscilantes, financiada por el Centro Nacional de Ciencias, fue de naturaleza básica y sólo servía para demostrar que es posible el almacenamiento estable de información mediante reacciones químicas. En esta memoria recién creada, las reacciones sólo se encargaban de almacenar información, mientras que la grabación y lectura de la misma requeriría de métodos físicos. Probablemente todavía falten muchos años antes de que se pueda construir una memoria completamente química que pueda formar parte de una futura computadora química.

Artículo original publicado por el Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-05-07T23:58:05+00:00