Un descubrimiento revolucionario en la Universidad de Limerick en Irlanda ha revelado por primera vez que es posible la computación similar al cerebro no convencional en la escala más pequeña de átomos y moléculas.

Investigadores del Instituto Bernal de la Universidad de Limerick trabajaron con un equipo internacional de científicos para crear un nuevo tipo de material orgánico que aprende de su comportamiento anterior.

El descubrimiento del ‘interruptor molecular dinámico’ que emula el comportamiento sináptico se revela en un nuevo estudio en la revista internacional Nature Materials.

El estudio fue dirigido por Damien Thompson, Profesor de Modelado Molecular en el Departamento de Física de UL y Director de SSPC, el Centro de Investigación de Productos Farmacéuticos de Irlanda de la Fundación de Ciencias de UL, junto con Christian Nijhuis en el Centro de Moléculas y Nano Sistemas Inspirados en el Cerebro en Universidad de Twente y Enrique del Barco de la Universidad de Florida Central.

Trabajando durante los confinamientos, el equipo desarrolló una capa de moléculas de dos nanómetros de espesor, que es 50.000 veces más delgada que un cabello y recuerda su historia a medida que los electrones la atraviesan.

El profesor Thompson explicó que «la probabilidad de conmutación y los valores de los estados de encendido/apagado cambian continuamente en el material molecular, lo que proporciona una nueva alternativa disruptiva a los interruptores digitales convencionales basados ​​en silicio que solo pueden estar encendidos o apagados».

El interruptor orgánico dinámico recientemente descubierto muestra todas las funciones lógicas matemáticas necesarias para el aprendizaje profundo, emulando con éxito el comportamiento sináptico similar al cerebro pavloviano de «llamada y respuesta».

Los investigadores demostraron las propiedades de los nuevos materiales utilizando una amplia caracterización experimental y mediciones eléctricas respaldadas por modelos a múltiples escalas que abarcan desde modelos predictivos de las estructuras moleculares a nivel cuántico hasta modelos matemáticos analíticos de los datos eléctricos.

Para emular el comportamiento dinámico de las sinapsis a nivel molecular, los investigadores combinaron la transferencia rápida de electrones (similar a los potenciales de acción y los procesos de despolarización rápida en biología) con el acoplamiento lento de protones limitado por la difusión (similar al papel de los iones de calcio biológicos o neurotransmisores).

Dado que los pasos de transferencia de electrones y acoplamiento de protones dentro del material ocurren en escalas de tiempo muy diferentes, la transformación puede emular el comportamiento plástico de las uniones neuronales sinápticas, el aprendizaje pavloviano y todas las puertas lógicas para circuitos digitales, simplemente cambiando el voltaje aplicado y la duración. de pulsos de voltaje durante la síntesis, explicaron.

«Este fue un gran proyecto de confinamiento, con Chris, Enrique y yo empujándonos mutuamente a través de reuniones de zoom e hilos de correo electrónico gigantescos para llevar a nuestros equipos habilidades combinadas en modelado, síntesis y caracterización de materiales hasta el punto en que pudiéramos demostrar esta nueva computación similar al cerebro. propiedades», explicó el profesor Thompson.

«La comunidad sabe desde hace mucho tiempo que la tecnología de silicio funciona de manera completamente diferente a cómo funcionan nuestros cerebros, por lo que utilizamos nuevos tipos de materiales electrónicos basados ​​en moléculas blandas para emular redes informáticas similares a las del cerebro».

Los investigadores explicaron que el método puede aplicarse en el futuro a sistemas moleculares dinámicos impulsados ​​por otros estímulos como la luz y acoplados a diferentes tipos de formación de enlaces covalentes dinámicos.

Este avance abre una gama completamente nueva de sistemas adaptables y reconfigurables, creando nuevas oportunidades en la química sostenible y ecológica, desde la producción química de flujo más eficiente de productos farmacéuticos y otros productos químicos de valor agregado hasta el desarrollo de nuevos materiales orgánicos para computación y memoria de alta densidad. almacenamiento en grandes centros de datos.

«Esto es solo el comienzo. Ya estamos ocupados expandiendo esta próxima generación de materiales moleculares inteligentes, que está permitiendo el desarrollo de tecnologías alternativas sostenibles para enfrentar grandes desafíos en energía, medio ambiente y salud», explicó el profesor Thompson.

La profesora Norelee Kennedy, vicepresidenta de investigación de UL, dijo : «Nuestros investigadores encuentran continuamente nuevas formas de fabricar materiales más eficaces y sostenibles. Este último hallazgo es muy emocionante, demuestra el alcance y la ambición de nuestras colaboraciones internacionales y muestra nuestro mundo. capacidad líder en UL para codificar propiedades útiles en materiales orgánicos».