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Química

Compuertas lógicas

Investigadores desarrollan dispositivo para futuras computadoras moleculares

El sueño de las computadoras y otros equipamientos electrónicos dotados de circuitos compuestos por moléculas cuenta ahora con una nueva contribución. Investigadores del Laboratorio de Química Supramolecular y Nanotecnología del Instituto de Química (IQ) de la Universidad de São Paulo (USP) anunciaron en julio pasado el desarrollo de células fotoelectroquímicas capaces de funcionar como puertas lógicas, dispositivos responsables de los bits que cargan la información digital por medio del código binario básico empleado en computación e identificado por la señales 1 y 0, equivalentes a sí y no. Pero la novedad de este sistema es que dichas células son construidas con moléculas capaces de responder a estímulos externos como impulsos eléctricos u ópticos generando respuestas electrónicas. Lo que hicimos ahora es tan sólo un prototipo que, en el futuro podrá utilizarse en una computadora molecular. Es un avance, pero no sabemos aún como sería la apariencia de esa computadora, dice el químico Henrique Eisi Toma, profesor de IQ de la USP.

Las compuertas lógicas (PLs) son los componentes fundamentales de la electrónica digital actual basada en la tecnología del silicio. La combinación de dos señales de entrada (pueden ser 1 ó 0) resulta en respuestas que caracterizan los tres tipos básicos de compuertas lógicas: NOT, AND y OR, siendo las demás (XOR, XNOR, INH, NOR etc.) obtenidas por la combinación de las tres. Todos los procesadores y equipamientos digitales existentes en el mercado son operados por sistemas constituidos por combinaciones de aquellas tres PLs básicas de acuerdo con reglas bien definidas, recibiendo o generando señales compatibles con el lenguaje binario.

Las respuestas de cada PL se utilizan como entradas de otras PLs y, cuando se las combina, generan circuitos lógicos capaces de realizar operaciones simples.  Se interconectan para producir dispositivos más complejos y están presentes en equipos tales como computadoras y celulares, entre otros, explica el profesor Koiti Araki, quien también participó del desarrollo.

Las PLs utilizadas actualmente operan con el mismo principio del primer transistor desarrollado en la década de 1940. Con el continuo avance tecnológico y la miniaturización de los componentes electrónicos ? que hoy alcanzan escalas de 50 nanómetros (1 nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro), esa tecnología parece estar alcanzando su límite, siendo necesario el desarrollo de nuevos dispositivos.

Una posibilidad es la electrónica molecular, y un ejemplo de la viabilidad de ese tipo de tecnología es el cerebro humano. Él es una súper computadora húmeda, basada en moléculas y señales moleculares y que utiliza un lenguaje distinto al lenguaje binario de las supercomputadoras construidas por el hombre, destaca Toma. De este modo, la computación molecular se inspira en el complejo funcionamiento del cerebro para el desarrollo de sus componentes.

Film en colores
El dispositivo molecular creado por el equipo del Instituto de Química posee cerca de un centímetro cuadrado, en el formato de un sándwich, entre dos láminas de vidrio conductor. Una de ellas posee una película nanoestructurada de dióxido de titanio (TiO2) sensibilizado por un colorante molecular, constituido por tres iones (pérdida o ganancia de electrones) de rutenio y moléculas conteniendo carbono, oxígeno y nitrógeno. La otra lámina conductora contiene en su superficie una película de nanopartículas de platina colocada sobre otra de dióxido de estaño (SnO2). Cuando un haz de luz incide sobre el ?sándwich?, se produce un impulso eléctrico. Una particularidad importante es que dependiendo de la compresión de la onda lumínica, el compuesto de rutenio gana o pierde electrones. Es esa la característica fundamental que transforma la célula foto electroquímica en una puerta lógica del tipo XOR (o exclusiva) o INH (inhibidora), que generan los bits de información a lo largo de un circuito electrónico.

Dado lo inédito de la invención, el grupo hizo efectivo el pedido de patente para el dispositivo. En principio, nuestra PL podría ser miniaturizada hasta la escala nanométrica, porque su funcionamiento depende sólo de la formación de confluencia entre el colorante y las nanopartículas de dióxido de titanio que poseen, en el dispositivo examinado, 20 nanómetros de diámetro. De este modo, un número muy grande podría ser construido sobre sustratos adecuados utilizando fotolitografía (la impresión de un circuito de un dispositivo electrónico por medio de la luz), afirma Araki.

No es reciente, que varios grupos de investigación en el mundo están intentando usar moléculas como materia prima para la construcción de componentes electrónicos, en sustitución o complementando a los actuales dispositivos sólidos construidos principalmente en silicio. Las primeras compuertas lógicas moleculares surgieron en los años 1980, pero su principio de funcionamiento era rudimentario y dependía, en por lo menos una de sus etapas, de la renovación o inyección de solución del compuesto molecular. La compuerta lógica desarrollada por los científicos brasileños es mucho más compleja y funciona en forma regenerativa, sin necesidad de renovación de la sustancia activa, que se encuentra inmovilizada en el dispositivo. La innovación tuvo buena repercusión en la comunidad científica internacional y fue divulgada por publicaciones del sector químico y de nuevos materiales, como Angewandte Chemie, la revista de mayor impacto del rubro químico.

Si sólo en el futuro, la innovación podrá ser empleada en la construcción de computadores moleculares, hoy ella ya cuenta con una aplicación práctica. Según Henrique Toma, la compuerta lógica molecular podrá ser utilizada como un dispositivo conversor de energía, transformando impulsos ópticos en señales eléctricas. Eso porque la PL desarrollada en la USP es similar a una célula solar del tipo DSSC (de Dye Sensitized Solar Cells o Células Solares Sensibilizadas por Colorantes), producida con bajos costos y que deberá tornarse en un futuro próximo en una opción a las actuales células de silicio.

El proyecto
Desarrollo de súper moléculas, filmes y dispositivos en nanotecnología supramolecular.
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Henrique Eisi Toma – USP
Inversión
R$ 289.743,66 Y
U$S 138.441,15 (FAPESP)

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