Una computadora química , también llamada computadora de reacción-difusión , computadora Belousov–Zhabotinsky ( BZ ) o computadora gooware , es una computadora no convencional basada en una "sopa" química semisólida donde los datos se representan mediante concentraciones variables de sustancias químicas. [1] Los cálculos se realizan mediante reacciones químicas que ocurren naturalmente .
En un principio, las reacciones químicas se consideraban un simple movimiento hacia un equilibrio estable que no era muy prometedor para los cálculos. Esto cambió con un descubrimiento realizado por Boris Belousov , un científico soviético , en la década de 1950. Creó una reacción química entre diferentes sales y ácidos que oscilan entre ser amarillas y transparentes porque la concentración de los diferentes componentes cambia hacia arriba y hacia abajo de forma cíclica. En ese momento, esto se consideró imposible porque parecía ir en contra de la segunda ley de la termodinámica , que dice que en un sistema cerrado la entropía solo aumentará con el tiempo, lo que hará que los componentes de la mezcla se distribuyan hasta que se alcance el equilibrio y haga imposible cualquier cambio en la concentración. Pero los análisis teóricos modernos muestran que las reacciones suficientemente complicadas pueden comprender fenómenos ondulatorios sin romper las leyes de la naturaleza. [1] [2] ( Anatol Zhabotinsky logró una demostración convincente directamente visible con la reacción de Belousov-Zhabotinsky que muestra ondas de colores en espiral).
Las propiedades ondulatorias de la reacción BZ significan que puede mover información de la misma manera que todas las demás ondas. Esto aún deja la necesidad de computación, realizada por microchips convencionales que utilizan el código binario que transmite y cambia unos y ceros a través de un complicado sistema de puertas lógicas . Para realizar cualquier computación concebible es suficiente tener puertas NAND . (Una puerta NAND tiene dos bits de entrada. Su salida es 0 si ambos bits son 1, de lo contrario es 1). En la versión de computadora química, las puertas lógicas se implementan mediante ondas de concentración que se bloquean o amplifican entre sí de diferentes maneras.
En 1989 se demostró cómo las reacciones químicas sensibles a la luz podían realizar el procesamiento de imágenes . [3] Esto condujo a un auge en el campo de la computación química. Andrew Adamatzky, de la Universidad del Oeste de Inglaterra, ha demostrado puertas lógicas simples utilizando procesos de reacción-difusión . [4] Además, ha demostrado teóricamente cómo un hipotético " medio 2 + " modelado como un autómata celular puede realizar cálculos. [5] Adamatzky se inspiró en un artículo teórico sobre computación al usar bolas en una mesa de billar para transferir este principio a los productos químicos BZ y reemplazar las bolas de billar con ondas: si dos ondas se encuentran en la solución, crean una tercera onda que se registra como un 1.
Uno de los problemas de la versión actual de esta tecnología es la velocidad de propagación de las ondas, que sólo se propagan a un ritmo de unos pocos milímetros por minuto. Según Adamatzky, este problema se puede eliminar colocando las compuertas muy cerca unas de otras, para asegurar que las señales se transmitan rápidamente. Otra posibilidad podrían ser las nuevas reacciones químicas en las que las ondas se propagan mucho más rápido.
En 2014, un equipo internacional dirigido por los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) desarrolló un sistema de computación química . El sistema utilizó cálculos de tensión superficial derivados del efecto Marangoni utilizando un gel ácido para encontrar la ruta más eficiente entre los puntos A y B, superando a un sistema de navegación por satélite convencional que intentara calcular la misma ruta. [6] [7]
En 2015, estudiantes de posgrado de la Universidad de Stanford crearon una computadora utilizando campos magnéticos y gotas de agua infundidas con nanopartículas magnéticas , ilustrando algunos de los principios básicos detrás de una computadora química. [8] [9]
En 2015, los estudiantes de la Universidad de Washington crearon un lenguaje de programación para reacciones químicas (desarrollado originalmente para el análisis de ADN ). [10] [11]
En 2017, investigadores de la Universidad de Harvard patentaron una máquina de Turing química que funcionaba utilizando la dinámica no lineal de la reacción de Belousov-Zhabotinsky . [12] El sistema que desarrollaron es capaz de reconocer un lenguaje de tipo 1 de Chomsky utilizando consideraciones de energía libre de Gibbs . Este trabajo se publicó posteriormente en 2019, incluidos sistemas para lenguajes de tipo 2 y tipo 3 de Chomsky. [13]
En 2020, investigadores de la Universidad de Glasgow crearon una computadora química utilizando piezas impresas en 3D y agitadores magnéticos para controlar las oscilaciones del medio BZ. De este modo, pudieron calcular puertas lógicas binarias y realizar reconocimiento de patrones. [14]