İyonlar, elektronları gözenekli malzemeler üzerinden taşıyarak beyin esintili bilişime kapı açıyor

Texas A&M Üniversitesi kimya mühendisliği profesörü Dr. Perla Balbuena ve doktora sonrası araştırmacı Dr. Alejandro Aviles Sanchez önderliğindeki ekip, metal-organik çerçeveler (MOF’ler) olarak adlandırılan gözenekli malzemelerde elektron ve iyonların hareketini yöneten temel mekanizmaları inceledi; bu çalışmalar, nöromorfik cihazlar da dahil olmak üzere davranışlarını uyarlayabilen jenerasyon elektroniklerinin geliştirilmesine yol gösterebilir. Araştırmacılar, gelişmiş bilgisayar simülasyonları aracılığıyla malzemenin mikroskobik düzeydeki hareketini çözdü ve bulgularını Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımladı.

Araştırma ekibi, iyonların elektronların malzemeden geçişini kolaylaştırdığını tespit etti; bu durumun iyon ile elektron hareketinin birbirinden oldukça bağımlı olduğunu ortaya koydu. Bulgular, gelecekte enerji verimliliği yüksek ve öğrenmeye/yeniden yapılanmaya açık analog bilişim teknolojilerinin tasarımında kılavuz niteliğinde olabilir.

Iyonlar elektronları “sıçrayarak” taşıyor

MOF’ler, metal merkezlerin organik moleküller—bağlayıcılar (linker) olarak bilinen yapı taşlarıyla birbirine bağlanmasıyla oluşan mikroskobik boyutta üç boyutlu ağlardır ve benzersiz yapıları sayesinde çeşitli kimyasal ile elektronik özellikler sergiler. Bazı MOF’ler elektrik iletkenliği gösterse de, yükün bu malzemeler içinde nasıl hareket ettiği bilim insanları tarafından tam olarak aydınlatılamamıştır. Araştırılan MOF’te ise eklenen elektronlarla birlikte iletkenliğin değiştiği gözlemlenmiştir.

Ekip, organik bağlayıcılar içeren çinko esaslı bir MOF’i inceledi ve simülasyonlar sonucunda elektronların malzemede serbestçe dolaşmak yerine, bağlayıcılar üzerindeki belirli siteler arasında “sıçrayarak” (hopping) hareket ettiğini tespit etti. Bu bulgu, iletkenlikteki değişimin arkasındaki mikroskobik mekanizmayı açıklamaya yardımcı oluyor.

“Amacımız elektronların MOF içinde nasıl hareket ettiğini ve yapısındaki ya da yakınındaki iyonlardaki değişikliklerin bu hareketi nasıl etkilediğini anlamaktı. En önemli sonuç, malzemenin içindeki iyonların elektronların hareketini kolaylaştırabilmesidir; iyon ile elektron hareketinin sıkı sıkına bağlantılı olduğunu gösteriyor.”

Alejandro Aviles Sanchez, doktora sonrası araştırmacı

Beyin esintili bilişime doğru

Bulgular, MOF’lerin nöromorfik bilişim olarak adlandırılan ve beynin bilgiyi işleme ile saklama biçiminden ilham alan bir yaklaşıma yönelik potansiyelini daha iyi anlamaya katkı sağlayabilir. Balbuena, dijital bilgisayarlarda işlem belleğinden fiziksel olarak ayrıldığı için verinin sürekli arasında taşınması gerektiğini ve bunun önemli ölçüde enerji tüketdiğini vurguladı; buna karşılık biyolojik beyinlerin bir bölgede birleştirdiği için son derece enerji verimli olduğunu belirtti.

“Geleneksel dijital bilgisayarlarda işlem ve bellek fiziksel olarak ayrıldığı için veri sürekli arasında hareket etmek zorundadır, bu da önemli ölçüde enerji tüketir. Buna karşılık biyolojik beyinler, hem belleği hem de hesaplamayı tek bir bölgede barındırdığı için son derece enerji verimlidir; bu durum, nöronlar gibi uyarlanma tepkileri verebilen malzemeler kullanarak o verimliğin bazı yönlerini yeniden üretmeyi hedefleyen analog ve nöromorfik yaklaşımları ilham verdi.”

Perla Balbuena, kimya mühendisliği profesörü

Dış uyarlanmalara tepki olarak elektriksel davranışlarını değiştirebilen malzemeler, bilgiyi daha verimli biçimde işlemeyi hedefleyen analog ve nöromorfik teknolojilerde ileride önemli bir rol oynayabilir. Araştırma ekibi, bu bulguları deney yapan bilim insanlarıyla birlikte değerlendirmektedir; ekip Sandia Ulusal Laboratuvarı, Rockies Ulusal Labuatuarı ve Texas A&M Üniversitesi Kimya Bölümü ile yakın işbirliği içindedir.

“Deneylerle bir araya geldiğinde bize malzemenin nasıl çalıştığına dair daha net bir resim sunuyor. Belirlediğimiz mekanizma, diğer redox-aktif MOF’lerin ve benzer davranış sergileyebilecek başka malzemelerin tasarımını açıklamaya ve yönlendirmeye de yardımcı olabilir.”

Alejandro Aviles Sanchez, doktora sonrası araştırmacı

Ekibin çalışması, “Ion-Electron Coupling-Driven Redox Behavior in Metal–Organic Frameworks” başlıklı makaleyle Journal of the American Chemical Society dergisinde yayımlanmıştır.