Paměť na molekulární úrovni: Kdy se dočkáme počítačů s fullerenovými paměťmi?

Takové navrhli Adam Jaroš a Michal Straka ze skupiny Lubomíra Rulíška v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR ve spolupráci s Esmaeilem Farajpour Bonabem a Cinou Foroutan-Nejadem z centra CEITEC Masarykovy univerzity v Brně. Konkrétně jde o přepínatelné diody na bázi fullerenů.

Fullereny jsou objemné uhlíkové molekuly ve formě klece čítající typicky desítky atomů. Nejznámější fulleren C₆₀ svým vzhledem připomíná fotbalový míč. Ve výpočtech, které vědci prováděli, ale figuroval jeho větší bratr C₇₀. Ten je poněkud protáhlý, a připomíná tedy spíše míč na ragby.

Ve všech případech ale jde o kulaté nebo elipsoidní struktury s prázdným prostorem uvnitř, kam lze umístit nějaké atomy – v případě použitého protáhlého C₇₀ například dvouatomovou molekulu. Právě tato forma fullerenu s uvězněnou polární molekulou by se mohla stát zajímavou součástkou.

Pomocí kvantově chemických výpočtů se podařilo určit, jaké molekuly by bylo zajímavé ve fullerenu C₇₀ uvěznit, aby se nemohly snadno otáčet, a určovaly tak kladný a záporný konec své klece. Současně se podařilo, aby jejich polohu šlo pod elektrickým napětím obrátit.

Taková molekula by se chovala jako dioda a usměrňovač napětí, nejzákladnější elektronická součástka, nebo dokonce jako paměťový prvek, do kterého lze informace zapsat a následně bez poškození přečíst. Obojí by mělo jít jednoduchým přivedením elektrického napětí na správné konce molekuly. Zápis by byl možný změnou napětí, čtení zase změřením vodivosti molekuly. V obou případech přitom jde o dobře proveditelné operace i na takto malé škále při využití technik jinak typických pro řádkovací tunelovou mikroskopii.

Jednotlivé stavy takového paměťového prvku nejsou bohužel natolik stabilní, aby se z něj daly dělat pevné disky a jiná záznamová média. Uplatnění by ale mohl nalézt při zmenšování krátkodobé RAM paměti, tedy růstu její celkové kapacity. V tomto ohledu se ve výpočtech nejlépe dařilo systému ScCl@C₇₀, kdy je ve fullerenu C₇₀ uvězněna molekula složená z jednoho atomu scandia a jednoho atomu chlóru.

Kdy se tedy dočkáme počítačů s fullerenovými pamětmi? Teprve se uvidí, protože výzkum je stále jen ve fázi počítačového modelu a bude třeba potřebné molekuly připravit a jejich vlastnosti experimentálně potvrdit. Syntéza takových struktur je přitom stále ještě v plenkách.

Je také možné, že se do výpočtů nedostal nějaký jev, který by skutečnému využití takových součástek zabránil. Rozhodně ale tyto výpočty dávají naději, že se k malým a velmi rychlým pamětem (což by mělo být jejich další velkou výhodou) dostaneme.