Молекулярный логический вентиль

Молекулярное логический элемент представляет собой молекулу , которая выполняет логическую операцию на основе одного или более физических или химических входов и одним выходом. Эта область продвинулась от простых логических систем, основанных на единственном химическом или физическом вводе, до молекул, способных выполнять комбинаторные и последовательные операции, такие как арифметические операции, то есть молекулы и алгоритмы хранения в памяти.

Для логических вентилей с одним входом существует четыре возможных шаблона вывода. Когда на входе 0, на выходе может быть либо 0, либо 1. Когда на входе 1, на выходе снова может быть 0 или 1. Четыре выходных битовых шаблона, которые могут возникнуть, соответствуют определенному типу логики: ПРОЙДЕН 0, ДА , NOT и PASS 1. PASS 0 всегда выводит 0 независимо от входа. PASS 1 всегда выводит 1, независимо от входа. YES выводит 1, когда вход равен 1, и НЕ является обратным YES - он выводит 0, когда вход равен 1. Примером логического элемента YES является молекулярная структура, показанная ниже. Выходной сигнал «1» выдается только тогда, когда в растворе присутствуют ионы натрия (вход «1»).

Молекулярные логические вентили работают с входными сигналами на основе химических процессов и с выходными сигналами на основе спектроскопии . Одна из более ранних систем на основе водных растворов использует химическое поведение соединений A и B на схеме 1 . ^[1]

Соединение A представляет собой двухтактный олефин с верхним рецептором, содержащим четыре анионных группы карбоновых кислот (и нераскрытые противокатионы), способные связываться с кальцием . В нижней части находится молекула хинолина , которая является рецептором для ионов водорода. Логический вентиль работает следующим образом. Без какого - либо химического входа Ca ²⁺ или H ⁺ , в хромофорных показывает максимум поглощения в УФ / видимой спектроскопии при 390 нм . Когда вводится кальций, происходит синий сдвиг и оптическая плотность при 390 нм уменьшается. Точно так же добавление протонов вызывает красное смещение.и когда оба катиона находятся в воде, чистым результатом является поглощение на исходной длине волны 390 нм. Эта система представляет собой логический вентиль XNOR при поглощении и логический вентиль XOR при пропускании .

В соединении B нижняя часть теперь содержит третичную аминогруппу, также способную связываться с протонами. В этой системе флуоресценция имеет место только тогда, когда доступны оба катиона. Присутствие обоих катионов препятствует фотоиндуцированному переносу электронов (ПЭТ), позволяя соединению B флуоресцировать. В отсутствие обоих или любого иона флуоресценция гасится с помощью ПЭТ, что включает перенос электрона либо от атома азота, либо от атомов кислорода, либо от обоих к антраценильной группе. Когда оба рецептора связаны с ионами и протонами кальция соответственно, оба канала ПЭТ отключаются. Общий результат соединения B является логическим И, поскольку выход «1» (флуоресценция) происходит только тогда, когда и Ca ^2+, и H ⁺присутствуют в растворе, то есть имеют значение «1». Обе системы работают параллельно и с контролем пропускания для системы A и флуоресценции для системы B, в результате получается полусумматор, способный воспроизвести уравнение 1 + 1 = 2.

В модификации системы B не два, а три химических входа одновременно обрабатываются в логическом элементе AND. ^[2] Усиленный сигнал флуоресценции наблюдается только в присутствии избытка протонов, ионов цинка и натрия за счет взаимодействия с их соответствующими амином , фенилдиаминокарбоксилатом и краун-эфиром.рецепторы. Режим обработки работает аналогично описанному выше - флуоресценция наблюдается из-за предотвращения конкурирующих реакций фотоиндуцированного переноса электрона от рецепторов к возбужденному флуорофору антрацена. Отсутствие одного, двух или всех трех ионных входов приводит к низкому выходу флуоресценции. Каждый рецептор селективен в отношении своего конкретного иона, поскольку увеличение концентрации других ионов не приводит к высокой флуоресценции. Конкретный порог концентрации каждого входа должен быть достигнут, чтобы получить флуоресцентный выход в соответствии с комбинаторной логикой AND. Этот прототип потенциально может быть расширен для применения в медицинской диагностике в местах оказания медицинской помощи для скрининга заболеваний в будущем.

В аналогичной установке молекулярный логический вентиль, проиллюстрированный ниже, демонстрирует продвижение от редокс-флуоресцентных переключателей к логическим вентилям с несколькими входами и электрохимическим переключателем. ^[3] Этот логический вентиль И с двумя входами включает в себя рецептор протонов третичного амина и окислительно-восстановительный донор тетратиафульвелена. Эти группы, когда они присоединены к антрацену, могут одновременно обрабатывать информацию, касающуюся концентрации кислоты и окислительной способности раствора.

Логический вентиль INHIBIT, показанный ниже, предоставлен Gunnlaugsson et al. включает ион Tb ³⁺ в хелатный комплекс. ^[4] Этот логический вентиль с двумя входами является первым в своем роде и демонстрирует некоммутативное поведение с химическими входами и выходом фосфоресценции. Когда присутствует дикислород (вход 1), система гаснет, и фосфоресценция не наблюдается (выход 0). Второй вход, H ⁺ , также должен присутствовать, чтобы выход "1" наблюдался. Это можно понять из таблицы истинности INHIBIT с двумя входами.

В другой системе с логическим вентилем XOR химия основана на псевдоротаксане ^[5], изображенном на схеме 3 . В органическом растворе электрон с дефицитом diazapyrenium соли (стержневой) и электронных богатых 2,3-диокси нафталина единиц краун - эфира (кольцо) самособираются путем образования комплекса с переносом заряда .

Добавленный третичный амин, такой как трибутиламин, образует аддукт 1: 2 с диазапиреном, и комплекс разрушается. Этот процесс сопровождается увеличением интенсивности излучения на 343 нм за счет высвобожденного краун-эфира. Добавленная трифторметансульфоновая кислота реагирует с амином, и процесс возвращается обратно. Избыток кислоты блокирует краун-эфир за счет протонирования, и комплекс снова удаляется.

Полный сумматор система , основанная на флуоресцеина ^[6] может вычислить 1 + 1 + 1 = 3.

Примером молекулярной последовательной логики является D. Margulies et al., Где они демонстрируют молекулярную блокировку клавиатуры, напоминающую возможности обработки электронного устройства безопасности, которое эквивалентно включению нескольких взаимосвязанных логических элементов И параллельно. ^[7] Молекула имитирует электронную клавиатуру из банкомата (ATM). Выходные сигналы зависят не только от комбинации входов, но и от правильного порядка входов: другими словами, необходимо ввести правильный пароль. Молекула была сконструирована с использованием флуорофоров пирена и флуоресцеина, связанных сидерофором, который связывается с Fe (III), а кислота раствора изменяет флуоресцентные свойства флуорофора флуоресцеина.

Дальнейшее развитие в этой области может также привести к замене полупроводников на основе молекулярной логики в ИТ-индустрии. Такие молекулярные системы теоретически могут преодолеть проблемы, возникающие, когда полупроводники приближаются к наноразмерам. Молекулярные логические вентили более универсальны, чем их кремниевые аналоги, с такими явлениями, как наложенная логика, недоступными для полупроводниковой электроники. Сухие молекулярные вентили, подобные тем, которые продемонстрировали Авурис и его коллеги, оказались возможной заменой полупроводниковым устройствам из-за их небольшого размера, схожей инфраструктуры и возможностей обработки данных. Авурис обнаружил логический вентиль НЕ, состоящий из пучка углеродных нанотрубок. Нанотрубки по-разному легируются в смежных областях, создавая два дополнительных полевых транзистора.Связка работает как логический вентиль НЕ только при выполнении удовлетворительных условий.

Новые потенциальные применения химических логических вентилей продолжают изучаться. Недавнее исследование ^[8] иллюстрирует применение логического элемента для фотодинамической терапии.. Краситель для тела, присоединенный к краун-эфиру и двум пиридильным группам, разделенным спейсерами (как показано ниже), работает в соответствии с логическим вентилем И. Молекула работает как фотодинамический агент при облучении на длине волны 660 нм в условиях относительно высоких концентраций ионов натрия и протонов, превращая триплетный кислород в цитотоксический синглетный кислород. Этот прототипный пример может использовать преимущества более высоких уровней натрия и более низкого pH в опухолевой ткани по сравнению с уровнями в нормальных клетках. Когда эти два связанных с раком клеточных параметра удовлетворяются, наблюдается изменение в спектре поглощения. Этот метод может быть полезен для лечения злокачественных опухолей, поскольку он неинвазивен и специфичен.

Молекулярный логический вентиль может обрабатывать модуляторы, во многом аналогично тому, как это показано в «Доказательстве принципа» де Сильвы, но включает разные логические вентили в одной и той же молекуле. Такая функция называется интегрированной логикой и иллюстрируется логическим вентилем на основе полувычитателя на основе BODIPY, проиллюстрированным A. Coskun, EU Akkaya и их коллегами (как показано ниже). ^[9] При мониторинге на двух разных длинах волн, 565 и 660 нм, логические вентили XOR и INHIBIT получаются на соответствующих длинах волн. Оптические исследования этого соединения в ТГФ показывают пик поглощения при 565 нм и пик эмиссии при 660 нм. Добавление кислоты приводит к гипсохромному сдвигуобоих пиков, поскольку протонирование третичного амина приводит к внутреннему переносу заряда. Наблюдаемое излучение желтого цвета. При добавлении сильного основания фенольная гидроксильная группа становится депротонированной, что приводит к фотоиндуцированному переносу электрона, который, в свою очередь, делает молекулу неэмиссионной. При добавлении как кислоты, так и основания испускание молекулы отображается красным цветом, поскольку третичный амин не будет протонирован, в то время как гидроксильная группа останется протонированной, что приведет к отсутствию как PET, так и ICT. Из-за большой разницы в интенсивности излучения эта единственная молекула способна выполнять арифметические операции; вычитание на наномасштабном уровне.

См. Также [ править ]

• Химический компьютер
• Биологический компьютер
• Квантовый компьютер

Ссылки [ править ]

1. ^ А. Прасанна де Сильва и Натан Д. МакКленаган. Доказательство принципа арифметики молекулярного масштаба J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 16, 3965–3966. DOI:10.1021 / ja994080m
2. ^ Дэвид К. Магри, Гарет Дж. Браун, Гарет Д. МакКлин и А. Прасанна де Сильва. Связь химической конгрегации: молекулярные и логические ворота с тремя химическими входами как прототип «лаборатории на молекуле» J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4950–4951. (Связь)doi:10.1021 / ja058295
3. ^ Дэвид С. Магри. Флуоресцентный логический вентиль И, управляемый электронами и протонами. New J. Chem. 2009,33, 457–461.
4. ^ Т. Гуннлаугссон, Д. MacDonail и Д. Паркер,Chem. Commun. 2000, 93.
5. ^ Альберто Креди,Винченцо Бальцани, Стивен Дж Лэнгфорд иJ. Fraser Стоддарт. Логические операции на молекулярном уровне. Шлюз XOR на основе молекулярной машины J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2679–2681. (Статья)doi:10.1021 / ja963572l
6. ↑ Дэвид Маргулис, Галина Мелман и Авраам Шанзер. Молекулярный полный сумматор и полный вычитатель, дополнительный шаг к молекулеру J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4865–4871. (Статья)doi:10.1021 / ja058564w
7. ↑ Дэвид Маргулис, Галина Мелман и Авраам Шанзер. Молекулярный замок клавиатуры: фотохимическое устройство, способное авторизовать ввод пароля. Варенье. Chem. Soc. 2007,129, 347–354.
8. ^ С. Ослем и ЕС Аккая. Мышление за пределами кремниевой коробки: молекулярная логика И как дополнительный уровень селективности в генерации синглетного кислорода для фотодинамической терапии. Варенье. Chem. Soc. 2009,131, 48–49.
9. ^ А. Coskun, Е. Deniz и Akkaya ЕС. Эффективное переключение эмиссии борадиазаиндацена с помощью ПЭТ и ИКТ: мономолекулярный молекулярный полувычитатель в эмиссионном режиме с реконфигурируемыми логическими вентилями. Орг. Lett. 20055187–5189.

Внешние ссылки [ править ]

• Молекулярный фотоионный вентиль и вентиль на основе флуоресцентных сигналов
• 3-я Международная конференция по молекулярным сенсорам и молекулярным логическим логическим элементам (MSMLG) проходила 8–11 июля 2012 г. в Корейском университете в Сеуле, Корея. [10]