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Los bits se vuelven antiesquirmions
El mundo actual, que cambia rápidamente debido a «big data», está encapsulado en miles de millones de pequeños objetos magnéticos -bits magnéticos- cada uno de los cuales almacena un bit de datos en unidades de disco magnético. Un grupo de científicos de los Institutos Max Planck de Halle y Dresde han descubierto un nuevo tipo de nano-objeto magnético en un material novedoso que podría servir como un bit magnético con propiedades de invisibilidad para hacer realidad en un futuro próximo una unidad de disco magnético sin partes móviles – una memoria Racetrack.
La mayoría de los datos digitales se almacenan en la nube como bits magnéticos dentro de números masivos de unidades de disco magnético. En las últimas décadas, estos bits magnéticos se han reducido en muchos órdenes de magnitud, llegando a límites donde los límites de estas regiones magnéticas pueden tener propiedades especiales. En algunos materiales especiales estos límites – «paredes de dominio magnético» – pueden ser descritos como topológicos. Lo que esto significa es que se puede pensar que estas paredes tienen un manto mágico especial – lo que los científicos llaman «protección topológica». Una consecuencia importante es que tales paredes magnéticas son más estables a las perturbaciones que los bits magnéticos similares sin protección topológica que se forman en materiales magnéticos convencionales. Así pues, estos objetos magnéticos «topológicos» podrían ser especialmente útiles para almacenar «1»y «0»los elementos básicos de los datos digitales.
Uno de estos objetos es un «esqurmión magnético» que es una pequeña región magnética, tal vez de decenas a cientos de átomos de ancho, separado de una región magnética circundante por una pared de dominio quiral. Hasta hace poco solo se ha encontrado un tipo de esqurmión, el que está rodeado por una pared de dominio quiral que toma la misma forma en todas las direcciones. Pero hanbhabido predicciones de varios otros tipos de esqurmiones que aún no se han observado. En un artículo publicado en Nature, científicos del departamento NISE del Prof. Stuart Parkin en el Instituto Max Planck para la Física de Microestructuras en Halle, Alemania, han encontrado una segunda clase de esquirmiones, lo que se llama «antisesquirmiones», en materiales sintetizados en el Departamento de Química de Estado Sólido del Prof. Claudia Felser en el Instituto Max Planck para CPFS, Dresden, Alemania.
Los científicos de Halle y Dresden han encontrado estos diminutos objetos magnéticos en una clase especial de compuestos magnéticos versátiles llamados Heusler que Claudia Felser y sus colegas han explorado extensamente durante los últimos 20 años. De estos compuestos de Heusler, un pequeño subconjunto tiene la simetría cristalina justa para permitir la posibilidad de formar antiesquirmiones pero no sesquirmiones. Utilizando un microscopio electrónico de transmisión altamente sensible en el Instituto Max Planck para Física de Microestructuras, Halle, que fue especialmente modificado para permitir la detección de pequeños momentos magnéticos, se crearon y detectaron antiesquirmiones sobre una amplia gama de temperaturas y campos magnéticos. Y lo que es más importante, los antiesquirmiones, tanto en arreglos ordenados como en objetos aislados, se podían ver incluso a temperatura ambiente y en campos magnéticos cero.
Las propiedades especiales de ocultación de los esquirmiones los hace de gran interés para una forma radicalmente nueva de memoria de estado sólido – Memoria Racetrak – que fue propuesta por Stuart Parkin hace una década. En Racetrack, los datos digitales están codificados dentro de las paredes del dominio magnético, que se encuentran dentro de cables magnéticos nanoscópicos. Una de las características únicas de Racetrack, que es diferente a todas las demás memorias, es que las paredes se mueven alrededor de los nanocables usando descubrimientos recientes en la espin-orbitrónica. Los pulsos muy cortos de corriente mueven todas las paredes del dominio hacia atrás y hacia adelante a lo largo de los nanocables. Las paredes -las puntas magnéticas- pueden ser leídas y escritas por dispositivos incorporados directamente en los propios nanohilos, eliminando así cualquier pieza mecánica. Las paredes magnéticas protegidas topológicamente son muy prometedoras para las memorias Racetrack.
Por lo tanto, los antisesquirmiones podrían aplicarse a las memorias Racetrack pronto. Yendo incluso más allá de los antiesquirmiones el siguiente objetivo es la realización de una tercera clase de esquirmiones – esquirmiones antiferromagnéticos- que son diminutos objetos magnéticos que realmente no tienen ningún momento magnético neto. Son magnéticamente casi invisibles pero tienen propiedades únicas que los hacen de gran interés.
Ampliar en: Ajaya K. Nayak et al, Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature23466
Almacenamiento de datos en imanes del tamaño de un átomo
Hay un dicho que indica que los datos se expandirán hasta llenar toda la capacidad disponible. Tal vez hace diez o veinte años, era común almacenar programas de software, música MP3, películas y otros archivos, que podáin haber sido recopilados durante años. En los días en que las unidades de disco duro ofrecían unas pocas decenas de gigabytes de almacenamiento, la falta de espacio era casi inevitable.
Ahora que tenemos internet de banda ancha rápida y no pensamos en la descarga de un DVD de 4,7 gigabytes, podemos acumular datos aún más rápidamente. Las estimaciones de la cantidad total de datos almacenados en todo el mundo aumentarán de 4,4 billones de gigabytes en 2013 a 44 billones de gigabytes en 2020. Esto significa que estamos generando un promedio de 15 millones de gigabytes al día. A pesar de que las unidades de disco duro ahora se miden en miles de gigabytes en lugar de decenas, todavía tenemos un problema de almacenamiento.
La investigación y el desarrollo se centran en el desarrollo de nuevos medios de almacenamiento de datos que son más densos y por lo que puede almacenar una mayor cantidad de datos, y hacerlo de una manera más eficiente de la energía. A veces esto implica actualizar técnicas establecidas: recientemente IBM anunció una nueva tecnología de cinta magnética que puede almacenar 25 gigabytes por pulgada cuadrada (una pulgada equivale a 2,54 cm), un nuevo récord mundial para la tecnología de 60 años de edad. Mientras que los actuales discos duros magnéticos o de estado sólido son más densos alrededor de 200 gigabytes por pulgada cuadrada, las cintas magnéticas todavía se utilizan con frecuencia para la copia de seguridad de datos.
Sin embargo, la vanguardia de la investigación de almacenamiento de datos está trabajando a nivel de átomos y moléculas individuales, representando el límite máximo de la miniaturización tecnológica.
Búsqueda de los imanes atómicos
Las tecnologías actuales de almacenamiento de datos magnéticos -las utilizadas en los discos duros tradicionales con platos giratorios, estándar hasta hace unos años y que todavía son comunes hoy en día- se basan en métodos «top-down». Esto implica hacer capas delgadas de una gran pieza de material ferromagnético, cada uno conteniendo muchos dominios magnéticos que se utilizan para contener datos. Cada uno de estos dominios magnéticos está hecho de una gran colección de átomos magnetizados, cuya polaridad magnética es establecida por la cabeza de lectura / escritura del disco duro para representar datos como binarios uno o cero.
Un método «ascendente» alternativo implicaría construir dispositivos de almacenamiento colocando átomos o moléculas individuales uno por uno, cada uno capaz de almacenar un solo bit de información. Los dominios magnéticos conservan su memoria magnética debido a la comunicación entre grupos de átomos magnetizados vecinos.
Los imanes de un solo átomo o de una sola molécula por otro lado no requieren esta comunicación con sus vecinos para retener su memoria magnética. En cambio, el efecto de memoria surge de la mecánica cuántica. Por lo tanto, debido a que los átomos o las moléculas son mucho, mucho más pequeños que los dominios magnéticos actualmente utilizados, y pueden usarse individualmente en lugar de en grupos, pueden ser empacados más estrechamente, lo que podría dar lugar a un enorme aumento en la densidad de datos.
Trabajar con átomos y moléculas como éste no es ciencia ficción. Los efectos de la memoria magnética en imanes de una sola molécula (SMMs) se demostró por primera vez en 1993, y efectos similares para los imanes de átomo único se mostraron en 2016.
Aumentar la temperatura
El problema principal que está en el camino de mover estas tecnologías fuera del laboratorio y en la corriente principal es que todavía no trabajan a temperaturas ambiente. Tanto los átomos individuales como los SMM requieren enfriamiento con helio líquido (a una temperatura de -269 ° C), un recurso costoso y limitado. Así, el esfuerzo de investigación durante los últimos 25 años se ha concentrado en elevar la temperatura a la que se puede observar la histéresis magnética, una demostración del efecto de la memoria magnética. Un objetivo importante es -196 ° C, porque esta es la temperatura que se puede lograr con el nitrógeno líquido, que es abundante y barato.
Tomó 18 años para el primer paso sustancial para elevar la temperatura en la que la memoria magnética es posible en SMMs – un aumento de 10 ° C logrado por los investigadores en California. Pero ahora el equipo de investigación en la Escuela de Química de la Universidad de Manchester ha logrado histéresis magnéticas en un SMM a -213 ° C usando una nueva molécula basada en el elemento de tierras raras disprosio, según se informa en una carta a la revista Nature. Con un salto de 56 ° C, esto está a sólo 17 ° C de la temperatura del nitrógeno líquido.
Usos futuros
Sin embargo, hay otros desafíos. Con el fin de almacenar prácticamente bits individuales de datos, las moléculas deben fijarse a las superficies. Esto se ha demostrado con SMMs en el pasado, pero no para esta última generación de SMMs de alta temperatura. Por otra parte, la memoria magnética en átomos individuales ya se ha demostrado en una superficie.
La prueba definitiva es la demostración de la escritura y la lectura no destructiva de datos en átomos o moléculas individuales. Esto ha sido logrado por primera vez en 2017 por un grupo de investigadores de IBM que demostró el dispositivo de almacenamiento de memoria magnética más pequeño del mundo, construido alrededor de un solo átomo.
Sin embargo, independientemente de si los dispositivos de almacenamiento de un solo átomo o de una sola molécula se vuelven verdaderamente prácticos, los avances en la ciencia fundamental que se están realizando a lo largo de este camino son fenomenales. Las técnicas de química sintética desarrolladas por los grupos que trabajan en SMM ahora nos permiten diseñar moléculas con propiedades magnéticas personalizadas, que tendrán aplicaciones en la computación cuántica e incluso la resonancia magnética.
Ampliar en: The Conversation
Antiguo megaprocesador
Casi todo lo que es genial sobre la tecnología de hoy es gracias al microprocesador. Miles de millones de ellos se fabrican cada año y son una de las muchas razones por las que puede leer esta web. Pero pocas personas entienden lo que está pasando dentro de ese pequeño circuito integrado. Vamos con un curso acelerado.
La gente del Centro de Informática de Cambridge tiene una máquina de media tonelada que muestra todos los pequeños detalles que ocurren en un microprocesador a un tamaño que es más fácil de inspeccionar. La máquina ha sido apodada The Megaprocessor y su creador, James Newman, nos guía a través de cómo funciona en el vídeo de abajo.
La creación de Newman es lo suficientemente vistosa como para admirarla por sí sola. Usando unos 40000 transistores y 10000 LEDs, la máquina diagrama todas las comunicaciones y sistemas numéricos que se están llevando a cabo dentro de un microprocesador, todo ello y como vemos, con el fin de jugar en última instancia a una partida de Tetris.
Ampliar en: Gizmodo
IBM logra fabricar las primeras neuronas artificiales con tecnología de cambio de fase
Durante décadas, la ciencia ha tratado de recrear la estructura del cerebro humano, pero hasta ahora era imposible imitar su potencia y densidad con los componentes disponibles. IBM acaba de dar un paso interesante hacia el cerebro positrónico imaginado por Asimov. Ha creado neuronas artificiales funcionales mediante tecnología de cambio de fase.
No es la primera vez que IBM anuncia un avance en esta tecnología de almacenamiento no volátil (los datos no desaparecen al apagar el dispositivo) basada en cristales que alteran su estructura molecular al recibir corriente eléctrica de diferente intensidad. Recientemente la compañía logró crear memoria de cambio de fase a un coste similar al de la RAM actual.
Esquema de las neuronas artificiales de cambio de fase. Foto: IBM
Sin embargo, este nuevo avance de IBM va mucho más allá de lograr que nuestro PC funcione con más agilidad. Lo que el equipo de investigadores que la compañía mantiene en Zurich ha logrado crear son neuronas que imitan perfectamente el funcionamiento de las neuronas humanas. En lugar de una membrana con enzimas, las neuronas artificiales unen el axon y las dendritas mediante un cristal de antimonio, germanio y telurio, un material similar al que se utiliza en los discos ópticos reescribibles.
Estas neuronas de cristal que cambia su estado se parecen mucho a su contrapartida biológica. Para empezar, su tamaño puede reducirse a unos pocos nanómetros, lo que permite agrupar la suficiente cantidad de estas neuronas en un espacio lo bastante reducido.
En la primera prueba, IBM ha puesto a funcionar 500 de estas neuronas en una hilera de cinco chips compuestos de 10×10 de estas neuronas, pero el sistema es escalable. Los investigadores explican en el estudio que han publicdo en Nature que se podrían crear chips viables para comercialización de 90 nanómetros ya mismo, y que en el futuro se podría reducir hasta 14 nanómetros.
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Artículo completo en: GIZMODO
La flexoelectricidad es más que Moore
Investigadores del Grupo ICN2, en la Universitat Autònoma de Barcelona, realizaron un trabajo internacional, publicado por la revista Nature Nanotechnology, informando que ha producido el primer sistema integrado flexoeléctrico microelectromecánico (MEMS) en silicio.
La revolución de la informática es sinónimo de la búsqueda tradicional de empacar más chips y aumentar la potencia de cálculo. Esta búsqueda se materializa en la famosa «ley de Moore», que predice que el número de transistores por chip se duplica cada dos años y ha sido cierta por muy largo tiempo. Sin embargo, como la ley de Moore se acerca a su límite, una búsqueda en paralelo se está convirtiendo cada vez más importante. Esta última misión es apodada «más de Moore», y su objetivo es añadir nuevas funcionalidades (no sólo a los transistores) dentro de cada chip mediante la integración de materiales inteligentes en la parte superior de la base de silicio ubicua e indispensable.
Entre estos llamados materiales inteligentes, los piezoeléctricos se destacan por su capacidad para convertir una deformación mecánica en una tensión (que puede ser utilizada para captar energía para alimentar a la batería) o, a la inversa, generar una deformación cuando se les aplica un voltaje (que se puede utilizar, por ejemplo, en los ventiladores piezoeléctricos para enfriar el circuito). Sin embargo, la integración de la piezoelectricidad con tecnología de silicio es extremadamente difícil. La gama de materiales piezoeléctricos para elegir es limitada, y los mejores piezoeléctricos son todos los materiales ferroeléctricos basados en plomo, y su toxicidad plantea serias preocupaciones. Además, sus propiedades piezoeléctricas son fuertemente dependientes de la temperatura, lo que dificulta su implementación en el entorno caliente de un procesador de un ordenador, cuya temperatura de la unión puede alcanzar hasta 150 C.
Existe, sin embargo, otra forma de acoplamiento electromecánico que permite a un material polarizarse en respuesta a una flexión mecánica, y por el contrario, se dobla en respuesta a un campo eléctrico. Esta propiedad se llama «flexoelectricidad,» y aunque se conoce desde hace casi medio siglo, se ha ignorado en gran medida debido a que es un efecto relativamente débil de poca importancia práctica a macroescala. Sin embargo, en la nanoescala, la flexoelectricidad puede ser igual o superior que la piezoelectricidad; esto es fácil de entender si tenemos en cuenta que es muy difícil la flexión de algo grueso, pero doblar algo delgado es muy fácil. Además, la flexoelectricidad ofrece muchas propiedades deseables: es una propiedad universal de todos los dieléctricos, lo que significa que no se necesita usar materiales a base de plomo tóxico, y la flexoelectricidad es más lineal e independiente de la temperatura de la piezoelectricidad de un ferroeléctrico.
Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), un centro de investigación galardonado como Centro de Excelencia Severo Ochoa en el Campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), en colaboración con la Universidad de Cornell (EE.UU.) y la Universidad de Twente (Países Bajos), han logrado producir el primer sistema del mundo integrado flexoeléctrico microelectromecánico (MEMS) en silicio. Han encontrado que, a nanoescala, se mantienen los atributos deseables de la flexoelectricidad, mientras que la figura de mérito (curvatura de flexión dividido entre campo eléctrico aplicado) de su primer prototipo ya es comparable al de los mejores piezoeléctricos bimorfos. Además, la universalidad de la flexoelectricidad implica que todos los materiales dieléctricos que actualmente se utilizan en la tecnología de transistores también deben ser flexoeléctricos, proporcionando así una ruta elegante a la integración de funcionalidades «inteligentes» electromecánicas dentro de la tecnología de transistores ya existente.
Fuente: Umesh Kumar Bhaskar, Nirupam Banerjee, Amir Abdollahi, Zhe Wang, Darrell G. Schlom, Guus Rijnders, Gustau Catalan. A flexoelectric microelectromechanical system on silicon. Nature Nanotechnology, 2015; DOI: 10.1038/nnano.2015.260
Material inteligente basado en grafeno
Un papel fabricado con óxido de grafeno cambia de forma ante distintos estímulos (puede incluso “caminar” por una superficie lisa e incluso girar) y podría ser la puerta a nuevos dispositivos inteligentes. Al exponer el material a luz o cuando se calienta ligeramente este material activo se pliega y permite desarrollar sistemas flexibles que cambian de forma. Se cree que podría ser usado en ropa inteligente capaz de cambiar de forma (y de estilo) como respuesta a la temperatura corporal, o a los cambios ambientales. También podría permitir desarrollar paneles solares que se orienten hacia la posición del Sol. O incluso músculos artificiales para robots, sensores capaces de activar dispositivos de seguridad, etc.
El artículo es Jiuke Mu et al., “Origami-inspired active graphene-based paper for programmable instant self-folding walking devices,” Science Advances 01: e1500533, 06 Nov 2015, doi: 10.1126/sciadv.1500533.
Más información divulgativa en César Tomé (Próxima), “Un material inteligente cargado de ideas,” Next, Voz Pópuli, 11 Nov 2015; Mª Victoria S. Nadal, “Un papel de grafeno se mueve y camina solo gracias a la luz y al calor,” Materia, El País, 12 Nov 2015; Sarah Romero, “Mini robots origami hechos con papel de grafeno,” Muy Interesante, 12 Nov 2015.
Ampliar en: La Ciencia de la Mula Francis
Puntos cuánticos en sensores de cámaras fotográficas
Tras su uso en algunos televisores de gama alta como por ejemplo Sony, los puntos cuánticos preparan su llegada a los sensores fotográficos. El primero comercializado es de 13 megapíxeles y estará disponible el próximo año.
Actualmente los sensores más comunes en fotografía digitalmóvil son los conocidos como CMOS, tecnología basada en semiconductores de silicio. Gracias a los avances que ha conseguido la empresa InVisage es probable que comiencen a extenderse en las cámaras fotográficas los resultados de sus investigaciones, los sensores de puntos cuánticos, tecnología ya disponible en algunos televisores como por ejemplo Sony. No se trata de mostrar colores y luz, sino de captarlos, tarea más complicada electrónicamente hablando.
La diferencia reside en el proceso de captura y en las características de las nanopartículas, mientras que el resto del dispositivo es similar. En teoría las ventajas que InVisage ha mostrado deberían dar lugar a avances significativos en aspectos fotográficos muy relevantes, como en el rango dinámico y en captación de luz con escenas poco iluminadas. Además, también se mejora la toma de objetos en caos de mucho movimiento.
Un nuevo componente electrónico para reemplazar el almacenamiento ‘flash’
Investigadores financiados por la Fundación Nacional de Ciencia de Suiza han creado un nuevo componente electrónico que podría reemplazar el almacenamiento flash. Este dispositivo denominado memristor podría utilizarse también para nuevos tipos de equipos.
Dos gigantes de las TIC, Intel y HP, han entrado en una carrera para producir una versión comercial de memristores, un nuevo componente de la electrónica que podría reemplazar algún día a la memoria flash (DRAM) usada en dispositivos de memoria USB, tarjetas SD y discos duros SSD. «Básicamente, los memristores requieren menos energía ya que trabajan con tensiones más bajas«, explica Jennifer Rupp, profesor en el Departamento de Materiales en la ETH Zurich . «Se pueden hacer mucho más pequeños que los módulos de memoria actuales, y por lo tanto ofrecen mucha mayor densidad. Esto significa que pueden almacenar más megabytes de información por milímetro cuadrado.» Pero actualmente los memristores tan solo están en la fase de prototipo.
Computación menos rígida
Junto con su colega químico Markus Kubicek, Jennifer Rupp ha construido un memristor basado en una lámina de perovskita de solo cinco nanómetros de espesor. Y lo interesante es que ha demostrado que el componente tiene tres estados resistivos estables. Como resultado, no sólo puede almacenar el 0 o 1 de un bit estándar, sino también puede ser utilizado para la información codificada por tres estados – el 0, 1 y 2 de un «trit». «Nuestro componente podría por lo tanto también ser útil para un nuevo tipo de TIC que no se base en la lógica binaria, sino en una lógica que proporciona información situada» entre «el y el 1,» continúa Jennifer Rupp. «Esto tiene implicaciones interesantes para lo que se conoce como la lógica difusa, que busca incorporar una forma de incertidumbre en el tratamiento de la información digital. Usted podría describir como la computación menos rígida«.
Otra aplicación potencial es la computación neuromórfica, cuyo objetivo es utilizar componentes electrónicos para reproducir la forma en que las neuronas en el cerebro procesan la información. «Las propiedades de un memristor en un punto dado en el tiempo dependen de lo que ha sucedido antes«, explica Jennifer Rupp. «Esto imita el comportamiento de las neuronas, que sólo transmitir la información una vez que se ha alcanzado un umbral de activación específica«.
En primer lugar, los investigadores de ETH Zurich han caracterizado en gran detalle las formas en las que el componente funciona, mediante la realización de estudios electroquímicos. «Hemos sido capaces de identificar a los portadores de carga eléctrica y entender su relación con los tres estados estables«, explica el investigador. «Este es un conocimiento extremadamente importante para la ciencia de materiales que serán útiles en el perfeccionamiento de la forma en el almacenamiento y operar en la mejora de su eficiencia«.
El cuarto componente
El principio del memristor fue descrito por primera vez en 1971, como el cuarto componente básico de los circuitos electrónicos (junto a resistencias, condensadores e inductancias). Desde la década de 2000, los investigadores han sugerido que ciertos tipos de memoria resistiva podrían actuar como memristores.
Ampliar información en: Memristor chip could lead to faster, cheaper computers
Más información:
Markus Kubicek et al. Uncovering Two Competing Switching Mechanisms for Epitaxial and Ultrathin Strontium Titanate-Based Resistive Switching Bits, ACS Nano (2015). DOI: 10.1021/acsnano.5b02752
Memoria RAM estática en base a nanotubos de carbono
Estamos llegando a un punto donde los avances de los procesadores hacen que los transistores estén fabricados en tamaños ya cercanos a algunas moléculas, como la hemoglobina de cinco nanómetros. A este ritmo de reducción el comportamiento de los electrones estará sujeto a los efectos cuánticos, causando comportamientos impredecibles y no controlados, lo que sería no apto para un chip.
La tecnología de semiconductores se basa en dos tipos de materiales: los que favorecen el transporte de electrones y los «agujeros». La conducción de corriente en los semiconductores se producen a través del movimiento de los electrones libres y los «agujeros», conocidos colectivamente como portadores de carga.
Ni los átomos de silicio, ni los de germanio (los materiales que se usan en electrónica) en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, es decir, se comportan como materiales aislantes.
Pero, si a la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de diferentes átomos, se alterará el número de portadores de carga en ella. Cuando un semiconductor dopado contiene en su mayoría huecos libres que se llama «tipo p», y cuando contiene electrones libres en su mayoría se conoce como «de tipo n». Los materiales semiconductores que se utilizan en dispositivos electrónicos se dopan bajo condiciones precisas para el control de la concentración de dopantes y las regiones p y de tipo n. Un solo cristal semiconductor puede tener muchas regiones p y tipo n; los p-n uniones entre estas regiones son responsables del comportamiento electrónico de utilidad.
Un equipo de investigadores ha logrado mostrar que las propiedades de los nanotubos pueden ser manipuladas y preservadas de tal manera que los hagan útiles para su uso en aplicaciones electrónicas. El desarrollo se ha hecho con agrupaciones de nanotubos en lugar de moleculas individuales, pero han logrado transformar los nanotubos en una RAM totalmente funcional.
Decidieron intentar implementar un circuito funcional: una memoria RAM usando nanotubos. Lograron hacer funcionar una RAM estática cuyo rendimiento fue estable durante miles de lecturas y escrituras, todo a temperatura ambiente. Es importante subrayar que no se hizo con nanotubos individuales, cada componente era un conglomerado sin distribuir de nanotubos.
Ampliar en: Hipertextual
Ordenadores orgánicos de ADN podrían procesar datos en nuestros cuerpos
Siempre imaginamos dispositivos electrónicos que se fabrican a partir de chips de silicio, con la que los ordenadores almacenan y procesar información en forma de dígitos binarios (ceros y unos) representados por pequeñas cargas eléctricas. Pero no necesariamente tiene que ser de esta manera: Entre las alternativas al silicio están los medios orgánicos tales como el ADN.
La computación de ADN se demostró por primera vez en 1994 por Leonard Adleman, que codificó y se resolvió el problema del viajante, un problema de matemáticas para encontrar la ruta más eficiente para un vendedor, entre ciudades, en su totalidad en el ADN.
EL ácido desoxirribonucleico, ADN, puede almacenar grandes cantidades de información codificada como secuencias de las moléculas, conocidos como nucleótidos, citosina (C), guanina (G), adenina (A), o timina (T). La complejidad y la enorme variación de los códigos genéticos de diferentes especies demuestra cuánta información puede ser almacenada en el ADN, que se codifica mediante CGAT, y esta capacidad puede ser objeto de uso por parte de la informática. Las moléculas de ADN se pueden emplear para procesar la información, utilizando un proceso de unión entre los pares de ADN conocido como hibridación. Esto lleva a cadenas simples de ADN como entrada y produce hebras de ADN a través de transformación como salida.
Desde el experimento de Adleman, muchas «circuitos» basados en ADN se han propuesto para implementar métodos computacionales, tales como la lógica de Boole, fórmulas aritméticas y cálculo de redes neuronales. Llamada programación molecular, este enfoque aplica conceptos y diseños habituales de la computación a escala nanométrica, siendo apropiado para trabajar con el ADN.
En esta «programación» lo que tiene sentido es realmente la bioquímica. Los «programas» creados son en base a la selección de moléculas que interactúan de una manera que logran un resultado específico en el proceso de autoensamblaje de ADN, donde colecciones desordenadas de moléculas espontáneamente interactúan para formar la disposición deseada de filamentos de ADN.
‘Robots’ de ADN
El ADN también se puede utilizar para controlar el movimiento, lo que permite dispositivos basados en la nanomecánica que usan el ADN. Esto se logró por primera vez por Bernard Yurke y sus colegas en 2000, que crearon a partir de hebras de ADN un par de pinzas que se abrían y pellizcaban. Experimentos posteriores, como el de Shelley Wickham y colegas en 2011 y en el laboratorio de Andrew Turberfield en Oxford demostraron que máquinas para caminar nanomoleculares hechas enteramente de ADN, podrían recorrer rutas establecidas.
Una posible aplicación es que un nanorobot caminante de ADN podría progresar a lo largo de pistas de toma de decisiones y dar la señal cuando se alcanza el final de la pista, lo que indica que el cómputo ha terminado. Al igual que los circuitos electrónicos se imprimen en tarjetas de circuitos, las moléculas de ADN se podrían utilizar para imprimir pistas similares dispuestas en árboles de decisión lógicos en un chip de ADN, y las enzimas se utilizarían para controlar la decisión de ramificación a lo largo del árbol, haciendo que el caminante tome una pista u otra.
Los caminantes de ADN también pueden transportar carga molecular, y así podrían ser utilizados para administrar medicamentos dentro del cuerpo.
¿Por qué la computación de ADN?
Entre las muchas características atractivas de las moléculas de ADN, se incluye su tamaño (ancho 2 nm), programabilidad y alta capacidad de almacenamiento – mucho mayor que sus homólogos de silicio. ADN también es versátil, barato y fácil de sintetizar, y la computación con ADN requiere mucha menos energía que los procesadores de silicio eléctricos.
Su desventaja es la velocidad: en la actualidad lleva varias horas para calcular la raíz cuadrada de un número de cuatro dígitos, algo que una computadora tradicional podría calcular en una centésima de segundo. Otro inconveniente es que los circuitos de ADN son de un solo uso, y necesitan ser recreado para ejecutar el mismo cálculo de nuevo.
Quizás la ventaja más grande de ADN a través de circuitos electrónicos es que puede interactuar con su entorno bioquímico. La computación con moléculas implica reconocer la presencia o ausencia de ciertas moléculas, y por lo que una aplicación natural de la informática de ADN es llevar esa capacidad de programación al ámbito de biosensores ambientales o de la entrega de medicamentos y terapias dentro de los organismos vivos.
Programas de ADN ya se han empleado en usos médicos, tales como el diagnóstico de la tuberculosis. Otro uso propuesto es un «programa» nano-biológica por Ehud Shapiro, del Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, denominado el «médico de la célula» que se dirige a moléculas cancerígenas. Otros programas de ADN para aplicaciones médicas linfocitos diana (un tipo de glóbulo blanco), que se definen por la presencia o ausencia de ciertos marcadores de células y así se pueden detectar de forma natural con la lógica booleana verdadera/falso. Sin embargo, se requiere más esfuerzo antes de que podamos inyectar drogas inteligentes directamente en los organismos vivos.
El futuro de la computación de ADN
Tomado en términos generales, el cómputo de ADN tiene un enorme potencial de futuro. Su gran capacidad de almacenamiento, bajo coste energético, facilidad de fabricación que explota el poder de autoensamblaje y su fácil afinidad con el mundo natural es una entrada a la informática a escala nanométrica, posiblemente a través de diseños que incorporan ambos componentes moleculares y electrónicas. Desde su creación, la tecnología ha avanzado a gran velocidad, la entrega de diagnósticos en el punto de atención y prueba de concepto de medicamentos inteligentes – aquellos que pueden tomar decisiones de diagnóstico sobre el tipo de terapia para entregar.
Hay muchos desafíos, por supuesto, que hay que abordar de manera que la tecnología puede avanzar desde el concepto de prueba de drogas inteligentes: la fiabilidad de los caminantes de ADN, la solidez del autoensamblaje de ADN, y la mejora de la entrega de fármacos. Pero tras un siglo de investigación la informática tradicional está bien situada para contribuir al desarrollo de la informática de ADN a través de nuevos lenguajes de programación, abstracciones, y técnicas de verificación formal – técnicas que ya han revolucionado el diseño de circuitos de silicio, y puede ayudar a poner en marcha la computación orgánica por el mismo camino.
Fuente: The Conversation
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