Porta logica molecolare

Una porta logica molecolare è una molecola che esegue un'operazione logica in base a uno o più input logici e producendo un singolo output logico. Molta ricerca accademica è dedicata allo sviluppo di questi sistemi e attualmente esistono molti prototipi. A causa della loro utilità potenziale nell'aritmetica queste macchine molecolari sono anche dette molecolatori.

Le porte logiche molecolari funzionano con segnali di ingresso basati su processi chimici e segnali di output basati sulla spettroscopia. Uno dei primi sistemi basati su soluzioni acquose sfrutta il comportamento chimico dei composti A e B come rappresentato nello schema 1.^[1]

Schema 1. Porte logiche molecolari de Silva 2000

Il composto A è una olefina spingi/tira (push-pull) con il recettore in alto contenente quattro gruppi anionici di acido carbossilico (e contro-cationi non dischiusi^[2]) in grado di legarsi al calcio. La parte inferiore è una molecola di chinolina che è un recettore per gli ioni di idrogeno. La porta logica opera come viene spiegato qui di seguito.

Senza nessun input chimico di Ca²⁺ o H⁺, il cromoforo mostra un massimo di assorbanza nella spettroscopia ultravioletta/visibile (UV/VIS) a 390 nm. Quando il calcio viene introdotto, ha luogo uno spostamento verso il blu e l'assorbanza a 390 nm diminuisce. Allo stesso modo l'aggiunta di protoni provoca uno spostamento verso il rosso e quando entrambi i cationi sono nell'acqua, il risultato finale è l'assorbimento ai 390 nm iniziali. Questo sistema rappresenta una porta logica XNOR nell'assorbimento e una porta logica XOR nella trasmittanza.

Nel composto B la sezione inferiore contiene ora un gruppo amminico terziario in grado anche di legarsi ai protoni. In questo sistema ha luogo la fluorescenza soltanto quando entrambi i cationi sono presenti e dunque il sistema rappresenta una porta logica AND.

Con entrambi i sistemi in parallelo e con il monitoraggio della trasmittanza per il sistema A e la fluorescenza per il sistema B il risultato è un half-adder in grado di riprodurre l'equazione 1+1=2.

In una modifica del sistema B non due ma tre input chimici sono simultaneamente processati in una porta logica AND^[3]. Un segnale di fluorescenza intensificata dal composto, descritto sotto, è ottenuto solo in presenza di idrogeno, zinco e ioni di sodio attraverso l'interazione rispettivamente con l'ammina, i carbossili e i recettori eteri corona, e questo sistema può essere potenzialmente applicato nello screening della malattia (lab-on-a-molecule) perché questi ioni sono tutti fisiologicamente rilevanti.

In un altro sistema di porta logica XOR, la chimica è basata sullo pseudorotassano^[4] descritto nello schema 3. In una soluzione organica, il sale (rod) di diazapirenio carente di elettrone e le unità di 2,3-diossinaftalene ricche di elettroni dell'etere corona (anello) si auto-assembla tramite la formazione di un complesso a trasferimento di carica.

Una ammina terziaria aggiunta, come la tributilammina, forma un addotto di 1:2 con il diazapirene e il complesso si smembra. Questo processo è accompagnato da un aumento della intensità di emissione a 343 nm derivanti dall'etere corona liberato.

L'acido trifluorometansolfonico aggiunto reagisce con l'ammina e il processo ritorna allo stato iniziale. L'acido in eccesso blocca l'etere corona per mezzo della protonazione e il complesso e nuovamente disfatto.

Schema 3. Porta logica di pseudorotassano

Un sistema full-adder basato sulla fluoresceina^[5] è in grado di calcolare 1+1+1=3.

Note

^ (EN) Proof-of-Principle of Molecular-Scale Arithmetic A. Prasanna de Silva and Nathan D. McClenaghan J. Am. Chem. Soc.; 2000; 122(16) pp 3965 – 3966; Abstract
^ Dall'ing. non-disclosed
^ (EN) Communicating Chemical Congregation: A Molecular AND Logic Gate with Three Chemical Inputs as a "Lab-on-a-Molecule" Prototype David C. Magri, Gareth J. Brown, Gareth D. McClean, and A. Prasanna de Silva J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(15) pp 4950 – 4951; (Communication) Abstract
^ (EN) Logic Operations at the Molecular Level. An XOR Gate Based on a Molecular Machine Alberto Credi, Vincenzo Balzani, Steven J. Langford, and J. Fraser Stoddart J. Am. Chem. Soc.; 1997; 119(11) pp 2679 – 2681; (Article) Abstract
^ (EN) A Molecular Full-Adder and Full-Subtractor, an Additional Step toward a Moleculator David Margulies, Galina Melman, and Abraham Shanzer J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(14) pp 4865 – 4871; (Article) DOI: 10.1021/ja058564w

Collegamenti esterni

(EN) A Molecular Photoionic AND Gate Based on Fluorescent Signaling (PDF), su nature.com.

[Silva1-1] (EN) Proof-of-Principle of Molecular-Scale Arithmetic A. Prasanna de Silva and Nathan D. McClenaghan J. Am. Chem. Soc.; 2000; 122(16) pp 3965 – 3966; Abstract

[2] Dall'ing. non-disclosed

[Silva2-3] (EN) Communicating Chemical Congregation: A Molecular AND Logic Gate with Three Chemical Inputs as a "Lab-on-a-Molecule" Prototype David C. Magri, Gareth J. Brown, Gareth D. McClean, and A. Prasanna de Silva J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(15) pp 4950 – 4951; (Communication) Abstract

[Credi-4] (EN) Logic Operations at the Molecular Level. An XOR Gate Based on a Molecular Machine Alberto Credi, Vincenzo Balzani, Steven J. Langford, and J. Fraser Stoddart J. Am. Chem. Soc.; 1997; 119(11) pp 2679 – 2681; (Article) Abstract

[Margulies-5] (EN) A Molecular Full-Adder and Full-Subtractor, an Additional Step toward a Moleculator David Margulies, Galina Melman, and Abraham Shanzer J. Am. Chem. Soc.; 2006; 128(14) pp 4865 – 4871; (Article) DOI: 10.1021/ja058564w

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