یون ها به الکترون ها کمک می کنند تا از مواد متخلخل با پتانسیل محاسبات الهام گرفته از مغز عبور کنند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

فناوری‌های محاسباتی نسل بعدی به لطف تحقیقاتی که در مورد چگونگی حرکت الکترون‌ها و یون‌ها از طریق مواد انجام می‌شود، می‌توانند یک قدم به شبیه‌سازی نحوه واکنش نورون‌ها و برقراری ارتباط با یکدیگر نزدیک‌تر شوند.

در میان آنها، چارچوب های فلزی-آلی (MOFs) دسته ای از مواد با پتانسیل برای الکترونیک پیشرفته هستند.

در مقاله‌ای که اخیرا در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، دکتر پرلا بالبوئنا، استاد مهندسی شیمی دانشگاه A&M تگزاس و دکتر آلخاندرو آویلس سانچز، محقق فوق‌دکتری، مکانیسم‌های اساسی را که بر انتقال الکترون و یون در این مواد حاکم است، بررسی کردند.

بالبوئنا گفت: «این تجزیه و تحلیل به دلیل شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیشرفته امکان‌پذیر است که به ما امکان می‌دهد نحوه تعامل و حرکت بخش‌های جداگانه این مواد را ببینیم، و به ما کمک می‌کند تا بفهمیم این رفتارهای در مقیاس کوچک چگونه بر کل مواد تأثیر می‌گذارند».

در حالی که این کار ماهیتی اساسی دارد، یافته‌ها می‌توانند به توسعه الکترونیک آینده که قادر به تطبیق رفتار خود هستند، از جمله فناوری‌های نوظهور مانند دستگاه‌های نورومورفیک برای نسل بعدی رایانه‌های آنالوگ کمک کند.

اویلز گفت: «هدف ما این بود که بفهمیم الکترون‌ها چگونه در MOF حرکت می‌کنند و چگونه تغییرات در ساختار آن و یون‌های مجاور آن حرکت را تحت تأثیر قرار می‌دهند. مهم‌ترین نتیجه این است که یون‌های درون ماده می‌توانند حرکت الکترون‌ها را آسان‌تر کنند. این نشان می‌دهد که حرکت یون‌ها و الکترون‌ها ارتباط نزدیکی با هم دارند.»

MOF ها شبکه های سه بعدی کوچکی هستند که از مراکز فلزی ساخته شده اند که توسط مولکول های آلی به هم متصل شده اند که به عنوان پیوند دهنده شناخته می شوند. ساختار منحصر به فرد آنها طیف وسیعی از خواص شیمیایی و الکترونیکی را به آنها می دهد. در حالی که برخی از MOF ها می توانند الکتریسیته را هدایت کنند، دانشمندان هنوز به طور کامل درک نمی کنند که چگونه بار در این مواد حرکت می کند.

در MOF مورد مطالعه در تحقیق، رسانایی با اضافه شدن الکترون ها تغییر می کند. تیم Balbuena می‌خواست مکانیسم میکروسکوپی پشت این رفتار و اینکه چگونه حرکت الکترون‌ها تحت تأثیر یون‌ها و ساختار اطراف قرار می‌گیرد را درک کنند.

این تیم یک MOF مبتنی بر روی حاوی پیوندهای آلی را بررسی کردند. از طریق شبیه‌سازی‌ها، آنها دریافتند که الکترون‌ها به جای حرکت آزادانه در کل ساختار، از طریق "پرش" بین مکان‌های خاص روی پیوند دهنده‌ها در ماده حرکت می‌کنند.

این یافته ها می تواند به محققان کمک کند تا پتانسیل MOF ها برای محاسبات نورومورفیک را بهتر درک کنند، رویکردی که از نحوه پردازش و ذخیره اطلاعات مغز الهام گرفته شده است.

بالبوئنا گفت: «در رایانه‌های دیجیتال معمولی، پردازش و حافظه از نظر فیزیکی از هم جدا هستند، بنابراین داده‌ها باید دائما بین آنها حرکت کنند که انرژی قابل توجهی مصرف می‌کند». در مقابل، مغزهای بیولوژیکی بسیار کارآمد هستند و حافظه و محاسبات در یک منطقه قرار دارند. این الهام بخش رویکردهای آنالوگ و نورومورفیک است که هدف آن بازتولید بخشی از این کارایی با استفاده از موادی است که رفتار الکتریکی آنها می‌تواند در پاسخ به محرک‌ها تغییر کند، مانند نورون‌ها.

موادی که می‌توانند رفتار الکتریکی خود را در پاسخ به محرک‌های خارجی تغییر دهند، در نهایت می‌توانند نقشی در فناوری‌های آنالوگ و نورومورفیک ایفا کنند که برای پردازش کارآمدتر اطلاعات طراحی شده‌اند.

اویلز گفت: «همراه با آزمایش‌ها، این تصویر واضح‌تری از نحوه کار مواد به ما می‌دهد. مکانیسمی که ما شناسایی کردیم ممکن است به توضیح و راهنمایی طراحی سایر MOFهای فعال ردوکس و سایر موادی که ممکن است مانند آنها عمل کنند کمک کند.

تیم Balbuena با دانشمندان تجربی مستقر در آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، آزمایشگاه ملی کوه‌های راکی ​​و دپارتمان شیمی A&M تگزاس تعامل دارند.

A. Avilés و همکاران، رفتار ردوکس مبتنی بر اتصال یون الکترون در چارچوب‌های فلزی-آلی، مجله انجمن شیمی آمریکا (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c03704

اطلاعات مجله: مجله انجمن شیمی آمریکا

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →