DE4241871A1 - Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen Speichern - Google Patents
Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen SpeichernInfo
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Description
In der Patentschrift P 42 25 022.6 war von einem optischen Transistor
die Rede, der als eine Vorstufe zum optischen Computer aufgefaßt werden
konnte.
Ein optischer Computer bestände aus vielen gekoppelten optischen
Schaltelementen.
Von Bedeutung sind hier aber auch Verbindungsstücke, die als lichtleitende
Filme für die Integration optischer Schaltkreise geeignet
sind. - In der angeführten Schrift war bereits von einem Eiweißmolekül
die Rede, welches den Namen Bakteriorhodopsin (BR) trägt.
Es kann nicht nur als sehr schneller optischer Schalter eingesetzt
werden, sondern dient auch als Kurzzeitspeicher für Bildinformationen.
Durch gezielte Veränderung eines solchen Eiweißmoleküls bestände die
Möglichkeit einer weiteren Steigerung der Schaltgeschwindigkeit
bis in den Femto- und Attobereich hinein.
Offen blieb bei dieser Anmeldung jedoch die Frage, wie man bei einer
solch hohen Schaltgeschwindigkeit noch eine sinnvolle Speicherung integrieren
könnte, das heißt eine Speicherung, die sich nicht nur auf
eine kurze Zeit wie bei "BR" beschränkt.
In einem Sonderforschungsbereich der DFG, der bereits auf das
Jahr 1986 zurückgeht (und noch weiter andauert), will man das Innenleben
eines Computers dadurch leistungsfähiger machen, daß zusätzlich
zum Silizium organische Moleküle integriert werden. - Man spricht hier
von einer "Molekularelektronik"; und es geht dabei von dem Gedanken aus,
daß Rechner um viele Größenordnungen kleiner und schneller wären, in
dem die logischen Zustände nicht durch die Ladungsverteilung in einem
Siliziumkristall repräsentiert wären, sondern in der Zustandsänderung
einzelner Moleküle.
Es gelang inzwischen die Synthese einiger Substanzen, die ihre grundsätzliche
Eignungsprüfung als Schaltermolekül bereits bestanden haben.
Es handelt sich dabei um Substanzen aus der Stoffklasse der Fulgide.
Mit Licht verschiedener Wellenlängen lassen sich die Moleküle von einer
offenen in eine zyklische Form und zurück verwandeln.
Auch Benzotriazol (Handelsname TIN) läßt sich durch Licht schalten.
Das Molekül springt zwischen der Keto- und Enolform hin und her.
Dauer des Schaltvorgangs: weniger als zwei Picosekunden.
Beim Einsatz des Lichtes müssen Verbindungen zwischen den Bauelementen
Lichtenergie weiterleiten können.
Dies gelingt mittels "molekularer Drähte".
Es sind dies Kettenmoleküle (Polyene), die abwechselnd eine chemische
Einfach- und eine Doppelbindung besitzen.
An die beiden Enden der Kette wurde jeweils ein Farbstoffmolekül (z. B.
Anthracen oder Naphthalin) geknüpft.
Wird das eine Molekül durch Bestrahlung angeregt, sendet sein Gegenüber
ein andersfarbiges Fluoreszenzlicht aus (Funktion erfolgt unabhängig
von der Länge der Kette).
Nachteil: In eine solche Kette läßt sich kein Fulgid als Schalter
einbauen. - Grund: Sobald das Fulgid in eine andere Zustandsform
springt, bleibt das nicht ohne Auswirkung auf die angrenzende
Kette. Es treten in ihr Isomere auf, die ein gezieltes
Weiterleiten unmöglich machen.
Weitere Schwierigkeiten:
Für das Verlegen von Kettenmolekülen bietet sich die sogenannte
"Langmuir-Blodgett-Technik"
an.
Hierbei können die Moleküle dazu gebracht werden, sich selbst zu organisieren.
Sie ordnen sich - zunächst auf einer Wasseroberfläche -
zu genau ausgerichteten Filmen, die sich dann gezielt auf eine Unterlage
aufbringen lassen.
Dabei zeigt sich, daß die bisher erfolgreich zur Energieleitung getesteten
Polyenketten für die LB-Technik zu starr sind.
Auf einzelne Moleküle kann man sich bei einem Molekularrechner
nicht verlassen. Zu hoch wäre die Fehleranfälligkeit, vor allem durch
sogenannte tunnelnde Elektronen.
Um mehrere Moleküle für die gleiche Funktion einzuspannen, bietet sich
ihre Anordnung in organischen Kristallen an.
Radikal-Ionen-Salze etwa bestehen aus Stapeln organischer Moleküle,
in deren Mitte eine Kette von Metall-Ionen, etwa Kupfer, für Stabilität
sorgt. Solche Stapelkristalle haben metallähnliche elektrische
Eigenschaften, streng gerichtet entlang der Stapel.
Größtes Problem dabei: Wie sich an den Enden des Kristalls Schaltermoleküle
anheften lassen.
Zum "Stand der Technik" gehören weiter Bestrebungen, die darauf hinauslaufen,
Halbleiterbauelemente aus Polyazetylen, einem organischen
Metall, anzufertigen.
Polymere Chips sind zwar geeignet, die physikalischen Grenzen der Siliziumtechnologie
bei zunehmender Miniaturisierung zu überwinden.
Der Strom in Polyacetylen und anderen organischen Leitern wird ausschließlich
entlang der Kohlenstoffketten des Makromoleküls transportiert:
Dadurch verringert sich die Gefahr eines Tunneleffektes ganz
erheblich. - Ferner erzeugen diese Moleküle aufgrund des geringeren
elektrischen Widerstandes weniger Wärme, und man könnte sie dichter
packen.
Nachteil jedoch: Derartige Chips können nicht in größeren Mengen
produziert werden.
Polymerforschung und -technologie ist jedoch in der Lage, maßgeschneiderte
Moleküle herzustellen; das heißt die Synthese von Stoffen mit
vorgegebenen Eigenschaften.
Im Fokus des Interesses einer ganzen Reihe von Chemieunternehmen steht
dabei der optische Chip.
So konnte z. B. die Temperaturbeständigkeit, eine Schwachstelle von
Polymeren, auf beachtliche 280°C erhöht werden.
In eine Polymerschicht wurden mit einem Elektronenstrahl haarfeine
Strukturen eingeschrieben, wobei eine Auflösung von 100 Nanometern
erreicht wurde.
Fraglos ließen sich hier noch weitere Fakten zum Stand der Technik
anführen; dies würde jedoch am Kern der Anmeldung vorbeigehen.
Auf die Möglichkeit, mit Hilfe von Supercomputern Reagenzgläser der
Chemie zu ersetzen, wird abschließend noch die Rede sein; insbesondere
schon deswegen, weil Protein- oder Molekül-Design eine glänzende
Zukunft vor sich hat.
Es kommt hier darauf an, den optischen Transistor (oder Transphasor),
wie er in der Patentschrift Nr. P 42 25 022.6 aufgezeigt wurde,
in Verbindung zu bringen mit jener Technologie, wie sie dort zwar angedeutet,
jedoch noch nicht näher erläutert wurde:
Lichtleitende Filme als Verbindungsstücke integrierter optischer
Schaltkreise.
Es soll am Protein-Molekül Bakteriorhodopsin (BR) aufgezeigt werden,
wie molekulare Computer Gestalt annehmen könnten; Herstellung
von sogenannten Bio-Chips.
Schließlich wäre auch das Problem zu lösen, wie man einen schnellen
Rechner (wenn nicht den schnellsten überhaupt) in Kooperation bringt
zu einem Speicher-System, welches durch den Einsatz photorefraktiver
Kristalle gekennzeichnet ist.
Da hierbei Piezo-Translatoren eine wesentliche Rolle spielen sollen,
kann auf eine solche Kombination erst in einer weiteren Anmeldung eingegangen
werden.
Vorbemerkung:
Die Biochemiker wissen seit den dreißiger Jahren, daß die Wechselwirkung
der im menschlichen Körper vorhandenen chemischen Stoffe - Proteine,
Enzyme, Peptide und viele andere mehr - vor allem auf deren
äußerer Form und elektrischen Ladungen beruht.
Jedes Molekül hat einen eindeutig geformten Stift, der in die entsprechende
Aussparung in einem anderen Molekül paßt. - In diesem Prinzip
stecken die Antworten auf alle Fragen im Zusammenhang mit dem Gesundheitszustand
eines Menschen. Zum Beispiel, wie Viren Zellen zerstören
und wie Antikörper - die natürlichen Abwehrmittel des Körpers gegen
eindringende Organismen - die Viren bekämpfen.
In diesen biomedizinischen Erkenntnissen liegt das Potential für eine
neue Art von Rechnern, die aus sogenannten Biochips bestehen. Diese
Molekülgruppen sollen im Laufe mehrerer chemischer Reaktionen durch
die Verkettung einzelner Moleküle entstehen, wobei deren Stifte perfekt
in die Aussparungen ihrer Nachbarn eingepaßt werden.
(Selbst künstliche Moleküle wie die sogenannten monoklonalen Antikörper,
die ursprünglich zur Krebsbekämpfung entwickelt wurden, ließen
sich in einen Biochip einbauen.)
Bei der Konstruktion eines Biochips wird als erstes die Oberfläche des
Wassers in einem Behälter mit einem nur ein Molekül starken Film aus
Proteinen überzogen. - Mit der sogenannten Langmuir-Blodgett-Methode
überträgt man diesen Proteinfilm von der Wasseroberfläche auf eine Silizium-
oder Quarzunterlage (Abb. 1a und 1b).
Hinweis: Um den Haupttext nicht zu unterbrechen, werden Erläuterungen
zu den einzelnen Abbildungen am Ende der Beschreibung
zusammengestellt.
Diese Proteinscheibchen werden anschließend in andere Behälter getaucht,
die jeweils einen anderen Bestandteil des Chips in gelöster
Form enthalten (Abb. 1c, 1d, 1e, 1f, 1g und 1h).
Schritt für Schritt verketten sich die molekularen Bauteile untereinander
und mit den Proteinen; so entstehen Millionen von identischen
logischen Gattern oder Speicherzellen, je nachdem mit welchem
Rechenelement sie sich verbinden.
In jedem Fall erfolgt die Ein- und Ausgabe von Informationen bei einem
Biochip mit Hilfe von Laserstrahlen.
Die Problematik, die man bisher noch nicht lösen konnte, bestand darin,
daß man keinen Laserstrahl besaß, der fein genug war, um ein einzelnes
Rechenelement in einem solchen Chip zu treffen.
(Enttäuschend verliefen bisher alle Ansätze, winzige Fotozellen zu
entwickeln, mit denen die Helligkeit des von einem Biochip ausgesandten
Laserstrahls gemessen werden kann.)
Es wird daher vorgeschlagen, viele benachbarte Elemente zu veranlassen
sich wie ein einziges zu verhalten (am besten in einer Zehnergruppe
zusammengefaßt).
Damit dürfen Laserstrahlen und Fotozellen durchaus größer sein als zulässig
wäre, wenn jedes Element gezielt angesprochen wird.
Ein einzelnes Element, welches eine Verkörperung einer bestimmten Zahl
entsprechen könnte (zum Beispiel in einer neuen Art von Datenbank-Organisation)
könnte man anschließend mit einer speziellen Positioniertechnik
herausschälen.
(Hierzu ergeht eine besondere Anmeldung.)
Die Rolle eines logischen Elements in einem Biochip ist die in den
Abb. 2a, 2b, 2c und 2d wiedergegebene Anordnung aus insgesamt
vier verschiedenen Molekülen.
Zwei von ihnen gehören zu den Molekülfamilien der Zyanide und Polyene.
Sie werden in der Farbfotografie als Farbstoffe verwendet.
Die dritte Art, das Chinon, unterstützt die Photosynthese in Pflanzen
und Bakterien. - Das Porphyrinmolekül transportiert den Sauerstoff im
Blut. - Die Sigmagruppe besteht aus einer Anzahl von Atomen und ist
gewissermaßen der Leim, der die Moleküle zusammenhält.
Diese einfachen Moleküle lassen sich jedoch zu einer Struktur
zusammenschließen, deren elektrische und optische Eigenschaften ihre
Verwendung als logisches Gatter ermöglichen, eine der winzigen Schaltungen,
mit denen ein Computer komplizierte Programmanweisungen ausführt.
Die abgebildete Molekülgruppierung ist ein NAND-Gatter. Ein logisches
Gatter (es gibt bekanntlich noch AND-, NOT-, OR- und XOR-Gatter)
erkennt man an seinen Eingangs- und Ausgangssignalen.
(Ein NAND-Gatter gibt nur dann eine Null aus, wenn seine beiden Eingangssignalwerte
Einsen sind. - Eine andere beliebige Kombination von
Einsen und Nullen als Eingangssignalwerte führt zur Ausgabe einer
Eins.)
NAND-Gatter können so miteinander verbunden werden, daß sie auch die
Funktionen aller anderen Gatter übernehmen. - Aufgrund dieser besonderen
Eigenschaft kann man mit einem einzigen Typ eines logischen Gatters
eine flexible computerlogische Schaltung entwickeln: eine wichtige
Vereinfachung.
Allerdings braucht man für eine auf NAND-Gattern basierende Computer-
Logik bis zu dreimal so viele Elemente, wie erforderlich wären,
wenn man auch die anderen Gattertypen verwendete.
In einem herkömmlichen Siliziumchip-Computer würde eine so große Anzahl
von logischen Elementen den Arbeitsablauf natürlich erheblich verlangsamen.
- In einem Biocomputer hingegen wird dieser Nachteil mehr
als ausgeglichen durch die enorme Geschwindigkeit der molekularen logischen
Elemente, die sicher tausendmal schneller sein werden als ihre
Gegenstücke aus Silizium.
Dieses molekulare NAND-Gatter erhält seine Informationen durch Laserstrahlen,
die auf die Chinonmoleküle gerichtet werden.
Feinheiten in der Elektronenverteilung innerhalb der Gattermoleküle
(in den Abbildungen nicht gezeigt) führen dazu, daß jedes der beiden Gattermoleküle
auf eine andere Farbe reagiert; so können die Gattereingänge
eindeutig voneinander unterschieden werden.
Den Gatterausgang bildet ein dritter Laserstrahl, den das Gatter abhängig
von den Eingangssignalen sperrt oder zu einer Fotozelle lenkt,
um eine Null oder Eins darzustellen.
Ein Bakterium, das in den Salzsümpfen in der Nähe des Silicon Valley
in Kalifornien vorkommt, enthält ein Protein, welches als Speicherzelle
in einem Biochip verwendbar ist.
Das Protein mit der Bezeichnung Bakteriorhodopsin ist ähnlich aufgebaut
wie das Protein Rhodopsin, das in der Netzhaut des Auges Licht
in Nervenimpulse umwandelt.
Bakteriorhodopsin setzt Licht in chemische Energie um und hat eine
nützliche Eigenschaft: Sein chemischer Zustand ändert sich, sobald
mit rotem oder grünem Licht bestrahlt wird (Abb. 3a, 3b und 3c).
Die Zustandsänderung, die durch das Licht der einen Farbe verursacht
wird, bleibt solange bestehen, bis das Molekül dem Licht der anderen
Farbe ausgesetzt wird. - Diese Eigenschaft ist wie maßgeschneidert für
einen Computer, der Daten in Form von Einsen und Nullen speichert -
oder in diesem Fall in Form von roten und grünen Bereichen.
Der Zustand des Moleküls - ob es zuletzt rotem oder grünem Licht ausgesetzt
war - ist leicht zu erkennen.
Im Rotzustand ist das Molekül lichtundurchlässig gegenüber allen Farben
außer Rot; im Grünzustand läßt es nur grünes Licht durch.
Beide Farben können verwendet werden, um den Speicher zu lesen, abgesehen
von der Neigung des grünen Lichts rote Speicherzellen (Nullen)
in grüne (Einsen) zu verwandeln und umgekehrt und damit den Speicherinhalt
noch während des Lesens zu verändern.
Dieses Problem (das sogenannte "detraktive Auslesen") läßt sich beheben,
indem man den Speicher mit einem zweifarbigen Laserstrahl aus
rotem und grünem Licht liest (Abb. 3b und 3c).
Das Bakteriorhodopsin konnte vor allem deswegen eine überragende Bedeutung
erlangen, weil durch dessen Anwendung die Technik der Holographie
einen grundlegenden Wechsel erfuhr.
Eine konventionelle Hologramm-Herstellung ist verbunden mit einem
umständlichen Entwicklungsverfahren: das kann Stunden in Anspruch nehmen,
weil für jeden Suchvorgang ein eigenes Hologramm aufgenommen, entwickelt
und wieder in die Apparatur eingepaßt werden muß.
Bei BR-Filmen ist eine Entwicklung nicht erforderlich, wie insbesondere
aber auch bei den photorefraktiven Kristallen Lithium-Niobat und
Kalium-Niobat.
Eine Abspeicherung von Daten auf photorefraktiven Kristallen kann
schon seit längerer Zeit durchgeführt werden. Der Grund, warum dieses
Kristall nur beschränkt Anwendung erfuhr, liegt darin, daß oxidiertes
LiNbO₃ : Fe zwar aufgrund der hohen Kapazität (2 · 10⁸ bit/cm³) und
der kurzen Lesezeit sich gut für einen Datenspeicher eignet . . .
jedoch im wesentlichen nur als "Read-Only-Memory" benutzt werden kann.
Ursachen: Die Fotoleitung ist noch - selbst in reduzierten Kristallen - sehr
klein und läßt sich wahrscheinlich kaum noch steigern.
Dieses Kristall war also als "Read-Wirite-Memory" ungeeignet.
(Hinzu kam noch eine Reihe von Fehlerquellen und Störungen, die teils
durch das Prinzip, teils durch die verwendeten Maschinen bedingt sind,
siehe Dissertation ERBES, TU Clausthal, 1978).
Charakteristisch für den Assoziativspeicher ist seine Parallelarbeit,
da alle Zellen des Speichers hinsichtlich der darin enthaltenen
Information oder hinsichtlich eines Teils desselben gleichzeitig abgefragt
werden und die Antwort von allen abgefragten Zellen im wesentlichen
zur selben Zeit gegeben wird.
(Hinsichtlich der oben wiedergegebenen Einschränkung auf den "Nur-
Lese-Speicher" muß noch erwähnt werden, daß andererseits wohl Patentschriften
bestehen, die beiden Seiten [das Lesen wie das Einschreiben]
behandeln, ohne freilich Wert auf das dabei verwendete Material, d. h.
den Kristall, zu legen. -
Vergleiche jedoch: OS 23 33 785; Optischer Assoziativspeicher. - Magnetische
Blasentechnik mit Thallium- oder Terbium-Orthoferrit-Kristall.)
Es liegt jedoch nahe, den angemeldeten optischen Transistor in bereits
vorhandene Ideen zu integrieren, wie sie z. B. zum Ausdruck kommen
in OS 23 21 911: Holographische Anordnung für einen schnellen optischen
Speicher mit wahlfreiem Zugriff; aus dem Jahr 1974.
Auch wäre eine Integration möglich in die OS 27 15 531: Holographisches
Verfahren zum Speichern und Auswählen von Datensätzen; aus dem
Jahr 1978.
Ergänzt werden müßten die dort dargelegten Gedanken durch die Maßnahme:
Parallele Verarbeitung mittels optischen Transistor.
Der optische Transistor in Verbindung mit Bakteriorhodopsin und optischem
Assoziativ-Speicher wird eine entscheidende Rolle spielen beim
Molekül-Design:
Mit Hilfe spezieller Computerprogramme lassen sich Moleküle dreidimensional
darstellen.
Proteinstrukturen lassen sich am Bildschirm immer detaillierter darstellen.
Zu Abb. 1a und 1b:
- Eine auf der Wasseroberfläche schwimmende Proteinschicht von der Stärke eines Moleküls wird im Querschnitt gezeigt. Elektrische Ladungen verbinden die Proteine zu einem Film, in dem alle Moleküle die gleiche Ausrichtung haben.
- Ein normalerweise aus Silizium bestehendes Plättchen wird kurz in den Behälter getaucht, wobei der Proteinfilm der Wasseroberfläche auf dem Plättchen haften bleibt. Die Moleküle dieses Films bilden die Grundbausteine eines Biochips.
- Eine auf der Wasseroberfläche schwimmende Proteinschicht von der Stärke eines Moleküls wird im Querschnitt gezeigt. Elektrische Ladungen verbinden die Proteine zu einem Film, in dem alle Moleküle die gleiche Ausrichtung haben.
- Ein normalerweise aus Silizium bestehendes Plättchen wird kurz in den Behälter getaucht, wobei der Proteinfilm der Wasseroberfläche auf dem Plättchen haften bleibt. Die Moleküle dieses Films bilden die Grundbausteine eines Biochips.
Zu Abb. 1c, 1d, 1e, 1f und 1b:
- Ein monoklonaler Antikörper verbindet sich mit einem Proteinmolekül; damit beginnt der Bau der Stützstruktur für die Rechenelemente des Chips.
- In weiteren Tauchvorgängen verbindet sich zunächst ein zweiter monoklonaler Antikörper mit dem ersten; anschließend werden identische Peptide an die Antikörper angelagert. Weitere Peptide folgen, falls das Rechenelement mehr als zwei Verankerungen braucht.
- Die Peptide ermöglichen die elektrische Verbindung zwischen der entstehenden Stützstruktur und einem Rechenelement in Form eines logischen Gatters oder einer Speicherzelle.
- Um die elektrische Verbindung der Rechenelemente vorzubereiten, wird ein drittes Peptid an den unteren monoklonalen Antikörper als Träger für ein Enzym angelagert.
- Das Enzym reagiert mit anderen chemischen Stoffen und produziert ein winziges Metallteilchen: Das Metall dient als elektrischer Leiter zur Übertragung von Programmanweisungen und Daten.
- Ein monoklonaler Antikörper verbindet sich mit einem Proteinmolekül; damit beginnt der Bau der Stützstruktur für die Rechenelemente des Chips.
- In weiteren Tauchvorgängen verbindet sich zunächst ein zweiter monoklonaler Antikörper mit dem ersten; anschließend werden identische Peptide an die Antikörper angelagert. Weitere Peptide folgen, falls das Rechenelement mehr als zwei Verankerungen braucht.
- Die Peptide ermöglichen die elektrische Verbindung zwischen der entstehenden Stützstruktur und einem Rechenelement in Form eines logischen Gatters oder einer Speicherzelle.
- Um die elektrische Verbindung der Rechenelemente vorzubereiten, wird ein drittes Peptid an den unteren monoklonalen Antikörper als Träger für ein Enzym angelagert.
- Das Enzym reagiert mit anderen chemischen Stoffen und produziert ein winziges Metallteilchen: Das Metall dient als elektrischer Leiter zur Übertragung von Programmanweisungen und Daten.
Zu Abb. 1h:
- Ein Biochip besteht aus Millionen von Strukturen. - Der chemische Überbau leitet Spannungsimpulse zwischen den molekularen Rechenelementen und den Metallteilchen, die als Bindeglieder zwischen den Strukturen dienen. - Benachbarte Metalleiter berühren sich zwar nicht, aber sie liegen so nahe beieinander, daß Elektronen zwischen ihnen wie durch einen festen Draht überwechseln können.
- Ein Biochip besteht aus Millionen von Strukturen. - Der chemische Überbau leitet Spannungsimpulse zwischen den molekularen Rechenelementen und den Metallteilchen, die als Bindeglieder zwischen den Strukturen dienen. - Benachbarte Metalleiter berühren sich zwar nicht, aber sie liegen so nahe beieinander, daß Elektronen zwischen ihnen wie durch einen festen Draht überwechseln können.
Zu Abb. 2a, 2b, 2c und 2d:
- In diesem NAND-Gatter gibt jedes der beiden Zyaninmoleküle ein Elektron (nicht gezeigt) über eine Sigma-Gruppe und ein Chinon- Molekül an einen Porphyrin-Ring ab, der mit einem Polyenmolekül verbunden ist. - Sobald das Chinonmolekül mit Laserstrahlen beleuchtet wird, kehren die angegebenen Elektronen zu ihren Zyaninmolekülen zurück und verändern dabei die lichtabsorbierenden Eigenschaften des Polyens: Ein farbiger Strahl, der beim Vorhandensein eines oder beider Elektronen blockiert wird, kann bei ihrer Abwesenheit ohne weiteres passieren. Weitere diffizile elektrische Eigenschaften machen die Chinonmoleküle empfindlich gegenüber verschiedenfarbigen Laserstrahlen.
- In dieser vereinfachten Zeichnung eines NAND-Gatters sind beide Eingangssignalwerte Null. Das heißt, keines der beiden Chinonmoleküle wird von einem Laserstrahl beleuchtet. Unter dieser Voraussetzung läßt das Polyenmolekül den roten Strahl eines Ausgabelasers zu einer Fotozelle durch; dies bedeutet, daß der vom NAND-Gatter ausgegebene Signalwert Eins ist.
- Um die Eingangssignalwerte Eins und Null zu erzeugen, richtet man einen Laserstrahl auf eines der beiden Chinonmoleküle. In diesem Beispiel wird das obere Chinomolekül beleuchtet; damit wird ein Elektron gezwungen, den Porphyrin-Ring zu verlassen und zum oberen Zyaninmolekül überzuwechseln. - Das Fehlen eines einzigen Elektrons im Porphyrin-Ring beeinflußt die Farbempfindlichkeit des Polyenmoleküls nur unwesentlich.
Der Ausgabelaser erreicht die Fotozelle; folglich erzeugt das Gatter den Ausgangssignalwert Eins.
- Wenn beide Chinonmoleküle von einem Laserstrahl getroffen werden, also beide Eingangssignalwerte Eins sind, kehren auch beide abgegebenen Elektronen vom Porphyrin-Ring zu ihrem jeweiligen Zyaninmolekül zurück. Die Abwesenheit der beiden Elektronen verändert die Farbempfindlichkeit des Polyenmoleküls, so daß der Ausgabelaserstrahl blockiert wird. Die Fotozelle wird nicht beleuchtet -, der Ausgangssignalwert des Gatters ist Null.
- In diesem NAND-Gatter gibt jedes der beiden Zyaninmoleküle ein Elektron (nicht gezeigt) über eine Sigma-Gruppe und ein Chinon- Molekül an einen Porphyrin-Ring ab, der mit einem Polyenmolekül verbunden ist. - Sobald das Chinonmolekül mit Laserstrahlen beleuchtet wird, kehren die angegebenen Elektronen zu ihren Zyaninmolekülen zurück und verändern dabei die lichtabsorbierenden Eigenschaften des Polyens: Ein farbiger Strahl, der beim Vorhandensein eines oder beider Elektronen blockiert wird, kann bei ihrer Abwesenheit ohne weiteres passieren. Weitere diffizile elektrische Eigenschaften machen die Chinonmoleküle empfindlich gegenüber verschiedenfarbigen Laserstrahlen.
- In dieser vereinfachten Zeichnung eines NAND-Gatters sind beide Eingangssignalwerte Null. Das heißt, keines der beiden Chinonmoleküle wird von einem Laserstrahl beleuchtet. Unter dieser Voraussetzung läßt das Polyenmolekül den roten Strahl eines Ausgabelasers zu einer Fotozelle durch; dies bedeutet, daß der vom NAND-Gatter ausgegebene Signalwert Eins ist.
- Um die Eingangssignalwerte Eins und Null zu erzeugen, richtet man einen Laserstrahl auf eines der beiden Chinonmoleküle. In diesem Beispiel wird das obere Chinomolekül beleuchtet; damit wird ein Elektron gezwungen, den Porphyrin-Ring zu verlassen und zum oberen Zyaninmolekül überzuwechseln. - Das Fehlen eines einzigen Elektrons im Porphyrin-Ring beeinflußt die Farbempfindlichkeit des Polyenmoleküls nur unwesentlich.
Der Ausgabelaser erreicht die Fotozelle; folglich erzeugt das Gatter den Ausgangssignalwert Eins.
- Wenn beide Chinonmoleküle von einem Laserstrahl getroffen werden, also beide Eingangssignalwerte Eins sind, kehren auch beide abgegebenen Elektronen vom Porphyrin-Ring zu ihrem jeweiligen Zyaninmolekül zurück. Die Abwesenheit der beiden Elektronen verändert die Farbempfindlichkeit des Polyenmoleküls, so daß der Ausgabelaserstrahl blockiert wird. Die Fotozelle wird nicht beleuchtet -, der Ausgangssignalwert des Gatters ist Null.
Zu Abb. 3a, 3b und 3c:
- Die hufeisenförmige Anordnung von Atomen im Bakteriorhodopsin- Molekül wechselt ihre Orientierung, wenn sie mit farbigem Laserlicht bestrahlt wird. - Unter der kurzzeitigen Einwirkung von rotem Licht dreht sich die Öffnung des Hufeisens nach unten; die Beleuchtung mit grünem Licht bringt das Hufeisen in seine Ausgangslage zurück.
- Ein Laserstrahl aus Laserlicht, halb rot und halb grün, blitzt durch ein Bakteriorhodopsinmolekül, das aufgrund einer vorausgehenden Bestrahlung mit rotem Licht mit Null codiert ist. In diesem Zustand blockiert das Molekül die grüne Hälfte des Strahls und lenkt die rote Reststrahlung auf eine Fotozelle. Die Fotozelle erkennt die rote Farbe des Lichts und schaltet unverzüglich die grüne Häfte des Strahls ab, so daß das Molekül nicht in den grünen Eins-Zustand versetzt wird. - Anschließend übermittelt die Fotozelle einen elektrischen Impuls, der den Ausgangssignalwert Null repräsentiert.
- Ist das Bakteriorhodopsin-Molekül nach Einwirkung von grünem Licht mit Eins codiert, läßt es nur den grünen Anteil des Laserstrahls zur Fotozelle gelangen. In diesem Fall schaltet die Fotozelle zunächst die rote Hälfte des Strahls ab, damit im Molekül gespeicherte Daten nicht gelöscht werden, und sendet das elektrische Ausgangssignal Eins.
- Die hufeisenförmige Anordnung von Atomen im Bakteriorhodopsin- Molekül wechselt ihre Orientierung, wenn sie mit farbigem Laserlicht bestrahlt wird. - Unter der kurzzeitigen Einwirkung von rotem Licht dreht sich die Öffnung des Hufeisens nach unten; die Beleuchtung mit grünem Licht bringt das Hufeisen in seine Ausgangslage zurück.
- Ein Laserstrahl aus Laserlicht, halb rot und halb grün, blitzt durch ein Bakteriorhodopsinmolekül, das aufgrund einer vorausgehenden Bestrahlung mit rotem Licht mit Null codiert ist. In diesem Zustand blockiert das Molekül die grüne Hälfte des Strahls und lenkt die rote Reststrahlung auf eine Fotozelle. Die Fotozelle erkennt die rote Farbe des Lichts und schaltet unverzüglich die grüne Häfte des Strahls ab, so daß das Molekül nicht in den grünen Eins-Zustand versetzt wird. - Anschließend übermittelt die Fotozelle einen elektrischen Impuls, der den Ausgangssignalwert Null repräsentiert.
- Ist das Bakteriorhodopsin-Molekül nach Einwirkung von grünem Licht mit Eins codiert, läßt es nur den grünen Anteil des Laserstrahls zur Fotozelle gelangen. In diesem Fall schaltet die Fotozelle zunächst die rote Hälfte des Strahls ab, damit im Molekül gespeicherte Daten nicht gelöscht werden, und sendet das elektrische Ausgangssignal Eins.
Claims (5)
1. Gekoppelte Schaltelemente, die unter Einsatz des Prinzips eines
optischen Transistors einen optischen Computer verwirklichen.
2. Optische Schaltkreise, die - in Ergänzung des Anspruchs 1 - unter
Anwendung von lichtleitenden Filmen eine Integration bzw. Vernetzung
erfahren.
3. Ein lichtleitender Film gemäß Anspruch 2, der aus einem Eiweißmolekül
mit dem Namen Bakteriorhodopsin entwickelt wird und über
eine photosynthetische Aktivität verfügt.
4. Schaltvorgänge, die mit jenem BR erreicht und - unter Einsatz
von grünem oder rotem Licht - durch Form- und Farbveränderungen
des BR-eigenen Farbstoffes ausgelöst werden.
5. Herstellung von Bio-Chips, wie sie in der Problemlösung beschrieben
wurde, unter Anwendung der Langmuir-Blodgett-Methode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924241871 DE4241871A1 (de) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen Speichern |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924241871 DE4241871A1 (de) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen Speichern |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4241871A1 true DE4241871A1 (de) | 1994-06-16 |
Family
ID=6475062
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19924241871 Withdrawn DE4241871A1 (de) | 1992-12-11 | 1992-12-11 | Molekularer Computer durch atomare Chips in Verbindung mit optischem Transistor sowie assoziativen Speichern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4241871A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6956984B2 (en) | 2000-07-07 | 2005-10-18 | Biological Research Center Of The Hungarian Academy Of Sciences | Light driven, integrated optical device |
US7097974B1 (en) | 1998-08-28 | 2006-08-29 | Febit Biotech Gmbh | Support for a method for determining an analyte and a method for producing the support |
US7470540B2 (en) | 2000-10-17 | 2008-12-30 | Febit Ag | Method and device for the integrated synthesis and analysis of analytes on a support |
-
1992
- 1992-12-11 DE DE19924241871 patent/DE4241871A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7097974B1 (en) | 1998-08-28 | 2006-08-29 | Febit Biotech Gmbh | Support for a method for determining an analyte and a method for producing the support |
US7737088B1 (en) | 1998-08-28 | 2010-06-15 | Febit Holding Gmbh | Method and device for producing biochemical reaction supporting materials |
US6956984B2 (en) | 2000-07-07 | 2005-10-18 | Biological Research Center Of The Hungarian Academy Of Sciences | Light driven, integrated optical device |
US7470540B2 (en) | 2000-10-17 | 2008-12-30 | Febit Ag | Method and device for the integrated synthesis and analysis of analytes on a support |
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