Sviluppato nuovo dispositivo di calcolo molecolare che ricorda la plasticità del cervello

Ricordando la plasticità delle connessioni nel cervello umano, un nuovo dispositivo molecolare può essere riconfigurato per diverse attività computazionali semplicemente cambiando le tensioni applicate. E’ il risultato di una scoperta pubblicata sulla rivista Nature, cui ha lavorato un team internazionale di ricercatori.

Le cellule nervose possono memorizzare i ricordi, e lo stesso dispositivo può anche conservare le informazioni per il recupero e l’elaborazione futuri. “Il cervello ha la straordinaria capacità di cambiare il suo cablaggio creando e interrompendo le connessioni tra le cellule nervose. Raggiungere qualcosa di comparabile in un sistema fisico è stato estremamente impegnativo“, ha affermato il dott. R. Stanley Williams, professore presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso la Texas A&M University. “Ora abbiamo creato un dispositivo molecolare con una straordinaria riconfigurabilità, che si ottiene non modificando le connessioni fisiche come nel cervello, ma riprogrammando la sua logica“.

Il collo di bottiglia di von Neumann

Che si tratti del familiare laptop o di un sofisticato supercomputer, le tecnologie digitali affrontano una nemesi comune, il collo di bottiglia di von Neumann. Questo ritardo nell’elaborazione computazionale è una conseguenza delle attuali architetture dei computer, in cui la memoria, contenente dati e programmi, è fisicamente separata dal processore. Di conseguenza, i computer impiegano una notevole quantità di tempo a trasferire le informazioni tra i due sistemi, causando il collo di bottiglia. Inoltre, nonostante le velocità estremamente elevate del processore, queste unità possono rimanere inattive per lunghi periodi di tempo durante i periodi di scambio di informazioni.

In alternativa alle parti elettroniche convenzionali utilizzate per la progettazione di unità di memoria e processori, i dispositivi chiamati memristors offrono un modo per aggirare il collo di bottiglia di von Neumann. I memristori, come quelli fatti di biossido di niobio e biossido di vanadio, passano dall’essere un isolante a un conduttore a una temperatura impostata. Questa proprietà offre a questi tipi di memristori la capacità di eseguire calcoli e memorizzare dati.

Tuttavia, nonostante i loro numerosi vantaggi, questi memristori di ossido di metallo sono realizzati con elementi di terre rare e possono funzionare solo a regimi di temperatura restrittivi. Quindi, c’è stata una ricerca continua di molecole organiche promettenti che possono svolgere una funzione memristiva comparabile.

Il composto ha un atomo di metallo centrale (ferro) legato a tre molecole organiche di fenilazo piridina chiamate ligandi. “Questo si comporta come una spugna elettronica che può assorbire fino a sei elettroni in modo reversibile, risultando in sette diversi stati redox“, ha detto Sreebrata. “L’interconnessione tra questi stati è la chiave dietro la riconfigurabilità mostrata in questo lavoro“.

Gli scienziati hanno studiato i meccanismi molecolari alla base del curioso comportamento di commutazione utilizzando una tecnica di imaging chiamata spettroscopia Raman. In particolare, hanno cercato firme spettrali nel movimento vibrazionale della molecola organica che potessero spiegare le molteplici transizioni. La loro indagine ha rivelato che lo spazzare il voltaggio negativo ha innescato i ligandi sulla molecola per subire una serie di eventi di riduzione, o acquisizione di elettroni, che hanno causato la transizione della molecola tra gli stati off e on.