Una puerta lógica molecular es una molécula que realiza una operación lógica basada en una o más entradas físicas o químicas y una única salida. El campo ha avanzado desde sistemas lógicos simples basados en una sola entrada química o física a moléculas capaces de operaciones combinatorias y secuenciales como operaciones aritméticas, es decir, moleculadores y algoritmos de almacenamiento de memoria.
Para puertas lógicas con una sola entrada, hay cuatro patrones de salida posibles. Cuando la entrada es 0, la salida puede ser 0 o 1. Cuando la entrada es 1, la salida puede volver a ser 0 o 1. Los cuatro patrones de bits de salida que pueden surgir corresponden a un tipo lógico específico: PASS 0, YES , NOT y PASS 1. PASS 0 siempre emite 0, sea cual sea la entrada. PASS 1 siempre emite 1, sea cual sea la entrada. SÍ emite un 1 cuando la entrada es 1 y NO es la inversa SÍ - genera un 0 cuando la entrada es 1. Un ejemplo de una puerta lógica SÍ es la estructura molecular que se muestra a continuación. Se da una salida "1" solo cuando los iones de sodio están presentes en la solución (entrada "1").
Las puertas lógicas moleculares funcionan con señales de entrada basadas en procesos químicos y con señales de salida basadas en espectroscopía . Uno de los primeros sistemas basados en solución de agua explota el comportamiento químico de los compuestos A y B en el esquema 1 . [1]
El compuesto A es una olefina push-pull con el receptor superior que contiene cuatro grupos aniónicos de ácido carboxílico (y contracationes no descritos) capaces de unirse al calcio . La parte inferior es una molécula de quinolina que es un receptor de iones de hidrógeno. La puerta lógica funciona de la siguiente manera. Sin ningún aporte químico de Ca 2+ o H + , el cromóforo muestra una absorbancia máxima en espectroscopía UV / VIS a 390 nm . Cuando se introduce calcio, se produce un desplazamiento al azul y la absorbancia a 390 nm disminuye. Asimismo, la adición de protones provoca un desplazamiento hacia el rojo y cuando ambos cationes están en el agua, el resultado neto es la absorción a los 390 nm originales. Este sistema representa una puerta lógica XNOR en absorción y una puerta lógica XOR en transmitancia .
En el compuesto B, la sección inferior ahora contiene un grupo amino terciario también capaz de unirse a protones. En este sistema, la fluorescencia solo tiene lugar cuando ambos cationes están disponibles. La presencia de ambos cationes dificulta la transferencia de electrones fotoinducida (PET) permitiendo que el compuesto B tenga fluorescencia. En ausencia de ambos iones o de cualquiera de los iones, la fluorescencia se apaga mediante PET, que implica una transferencia de electrones desde el átomo de nitrógeno o los átomos de oxígeno, o ambos, al grupo antracenilo. Cuando ambos receptores se unen a iones de calcio y protones, respectivamente, ambos canales de PET se cierran. El resultado general del Compuesto B es lógica Y, ya que una salida de "1" (fluorescencia) ocurre solo cuando tanto Ca 2+ como H + están presentes en la solución, es decir, tienen valores como "1". Con ambos sistemas funcionando en paralelo y con monitoreo de transmitancia para el sistema A y fluorescencia para el sistema B, el resultado es un semisumador capaz de reproducir la ecuación 1 + 1 = 2.
En una modificación del sistema B, no se procesan simultáneamente dos sino tres entradas químicas en una puerta lógica AND. [2] Se observa una señal de fluorescencia mejorada solo en presencia de un exceso de protones, iones de zinc y sodio a través de interacciones con sus respectivos receptores de amina , fenildiaminocarboxilato y éter corona . El modo de procesamiento funciona de manera similar a como se discutió anteriormente: se observa fluorescencia debido a la prevención de reacciones de transferencia de electrones fotoinducidas que compiten entre los receptores y el fluoróforo de antraceno excitado. La ausencia de una, dos o las tres entradas de iones da como resultado una salida de fluorescencia baja. Cada receptor es selectivo para su ión específico, ya que un aumento en la concentración de los otros iones no produce una fluorescencia alta. Se debe alcanzar el umbral de concentración específico de cada entrada para lograr una salida fluorescente de acuerdo con la lógica Y combinatoria. Este prototipo podría extenderse potencialmente a la aplicación de diagnóstico médico en el punto de atención para la detección de enfermedades en el futuro.
En una configuración similar, la puerta lógica molecular ilustrada a continuación demuestra el avance de los interruptores fluorescentes redox a las puertas lógicas de múltiples entradas con un interruptor electroquímico. [3] Esta puerta lógica AND de dos entradas incorpora un receptor de protones de amina terciaria y un donante redox de tetratiafulveleno. Estos grupos, cuando se unen al antraceno, pueden procesar simultáneamente información sobre la concentración de ácido y la capacidad oxidante de la solución.
La puerta lógica INHIBIT ilustrada a continuación proporcionada por Gunnlaugsson et al. incorpora un ion Tb 3+ en un complejo de quelato. [4] Esta puerta lógica de dos entradas es la primera de su tipo y muestra un comportamiento no conmutativo con entradas químicas y una salida de fosforescencia. Siempre que hay dioxígeno (entrada 1), el sistema se apaga y no se observa fosforescencia (salida 0). La segunda entrada, H + , también debe estar presente para que se observe una salida "1". Esto se entiende a partir de una tabla de verdad INHIBIT de dos entradas.
En otro sistema de puerta lógica XOR, la química se basa en el pseudorotaxano [5] representado en el esquema 3 . En solución orgánica, la sal de diazapirenio deficiente en electrones (varilla) y las unidades de 2,3-dioxi naftaleno ricas en electrones del éter corona (anillo) se autoensamblan mediante la formación de un complejo de transferencia de carga .
Una amina terciaria agregada como tributilamina forma un aducto 1: 2 con el diazapireno y el complejo se deshilacha. Este proceso va acompañado de un aumento de la intensidad de emisión a 343 nm resultante del éter corona liberado. El ácido trifluorometanosulfónico agregado reacciona con la amina y el proceso se revierte. El exceso de ácido bloquea el éter corona por protonación y, de nuevo, el complejo se deshilacha.
Un sistema sumador completo basado en fluoresceína [6] es capaz de calcular 1 + 1 + 1 = 3.
La lógica secuencial molecular está ejemplificada por D. Margulies et al., Donde demuestran un bloqueo de teclado molecular que se asemeja a las capacidades de procesamiento de un dispositivo de seguridad electrónico que es equivalente a incorporar varias puertas lógicas AND interconectadas en paralelo. [7] La molécula imita un teclado electrónico de un cajero automático (ATM). Las señales de salida dependen no solo de la combinación de entradas, sino también del orden correcto de las entradas: en otras palabras, se debe ingresar la contraseña correcta. La molécula se diseñó utilizando fluoróforos de pireno y fluoresceína conectados por un sideróforo, que se une al Fe (III), y la acidez de la solución cambia las propiedades de fluorescencia del fluoróforo de fluoresceína.
Un mayor desarrollo en este campo también podría hacer que las puertas lógicas moleculares reemplacen a los semiconductores en la industria de TI. En teoría, estos sistemas moleculares pueden superar los problemas que surgen cuando los semiconductores se acercan a las nano-dimensiones. Las puertas de lógica molecular son más versátiles que sus contrapartes de silicio, con fenómenos como la lógica superpuesta que no está disponible para la electrónica de semiconductores. Las puertas moleculares secas como la demostrada por Avouris y sus colegas demuestran ser posibles sustitutos de los dispositivos semiconductores debido a su pequeño tamaño, infraestructura similar y capacidades de procesamiento de datos. Avouris reveló una puerta lógica NOT compuesta por un paquete de nanotubos de carbono. Los nanotubos se dopan de manera diferente en regiones contiguas creando dos transistores de efecto de campo complementarios. El paquete funciona como una puerta NO lógica solo cuando se cumplen las condiciones satisfactorias.
Se continúan explorando nuevas aplicaciones potenciales de las puertas lógicas químicas. Un estudio reciente [8] ilustra la aplicación de una puerta lógica para la terapia fotodinámica . Un tinte de cuerpo unido a un éter corona y dos grupos piridilo separados por espaciadores (como se muestra a continuación) funciona de acuerdo con una puerta lógica AND. La molécula funciona como un agente fotodinámico tras la irradiación a 660 nm en condiciones de concentraciones relativamente altas de iones de sodio y protones al convertir el oxígeno triplete en oxígeno singlete citotóxico. Este ejemplo prototípico aprovecharía los niveles más altos de sodio y el pH más bajo en el tejido tumoral en comparación con los niveles en las células normales. Cuando se satisfacen estos dos parámetros celulares relacionados con el cáncer, se observa un cambio en el espectro de absorbancia. Esta técnica podría ser útil para el tratamiento de tumores malignos por ser no invasiva y específica.
Una puerta lógica molecular puede procesar moduladores de manera muy similar a la configuración que se ve en la 'Prueba de principio' de De Silva, pero incorporando diferentes puertas lógicas en la misma molécula. Esta función se denomina lógica integrada y está ejemplificada por la puerta lógica de medio restador basada en BODIPY ilustrada por A. Coskun, EU Akkaya y sus colegas (como se muestra a continuación). [9] Cuando se monitorea en dos longitudes de onda diferentes, 565 y 660 nm, las puertas lógicas XOR e INHIBIT se obtienen en las respectivas longitudes de onda. Los estudios ópticos de este compuesto en THF revelan un pico de absorbancia a 565 nm y un pico de emisión a 660 nm. La adición de un ácido da como resultado un desplazamiento hipsocrómico de ambos picos, ya que la protonación de la amina terciaria da como resultado una transferencia de carga interna. El color de la emisión observada es amarillo. Tras la adición de una base fuerte, el grupo hidroxilo fenólico se desprotona, lo que da como resultado una transferencia de electrones fotoinducida, que a su vez hace que la molécula no sea emisora. Tras la adición de un ácido y una base, la emisión de la molécula se observa en rojo, ya que la amina terciaria no se protona mientras que el grupo hidroxilo permanecería protonado dando como resultado la ausencia tanto de PET como de ICT. Debido a la gran diferencia de intensidad de emisión, esta única molécula es capaz de realizar una operación aritmética; resta a nivel de nanoescala.
Ver también
Referencias
- ^ A. Prasanna de Silva y Nathan D. McClenaghan. Prueba de principio de aritmética de escala molecular J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 16, 3965–3966. doi:10.1021 / ja994080m
- ^ David C. Magri, Gareth J. Brown, Gareth D. McClean y A. Prasanna de Silva. Comunicación de la congregación química: una puerta lógica y molecular con tres entradas químicas como un prototipo de "laboratorio en una molécula" J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4950–4951. (Comunicación)doi:10.1021 / ja058295
- ^ David C. Magri. Una puerta lógica Y fluorescente impulsada por electrones y protones. New J. Chem. 2009,33, 457–461.
- ^ T. Gunnlaugsson, DA MacDonail y D. Parker,Chem. Comun. 2000, 93.
- ^ Alberto Credi,Vincenzo Balzani, Steven J. Langford yJ. Fraser Stoddart. Operaciones lógicas a nivel molecular. Una puerta XOR basada en una máquina molecular J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2679–2681. (Artículo)doi:10.1021 / ja963572l
- ^ David Margulies, Galina Melman y Abraham Shanzer. Un sumador completo molecular y un restador completo, un paso adicional hacia un moleculador J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4865–4871. (Artículo)doi:10.1021 / ja058564w
- ^ David Margulies, Galina Melman y Abraham Shanzer. Un bloqueo de teclado molecular: un dispositivo fotoquímico capaz de autorizar el ingreso de contraseñas. Mermelada. Chem. Soc. 2007,129, 347–354.
- ^ S. Oslem y EU Akkaya. Pensando fuera de la caja del silicio: lógica Y molecular como una capa adicional de selectividad en la generación de oxígeno singlete para la terapia fotodinámica. Mermelada. Chem. Soc. 2009,131, 48–49.
- ^ A. Coskun, E. Deniz y EU Akkaya. Conmutación efectiva de PET y ICT de la emisión de boradiazaindaceno: un medio sustractor molecular unimolecular, en modo de emisión, con puertas lógicas reconfigurables. Org. Letón. 20055187–5189.
enlaces externos
- Una puerta AND fotoiónica molecular basada en señalización fluorescente
- La 3ª Conferencia Internacional sobre Sensores Moleculares y Puertas Lógicas Moleculares (MSMLG) se llevó a cabo del 8 al 11 de julio de 2012 en la Universidad de Corea en Seúl, Corea. [10]