Rechnen mit chemischen Reaktionen
Ein einziges Molekül enthält eine Fülle von Informationen. Dazu gehört nicht nur die Anzahl der einzelnen Atome, sondern auch, wie sie angeordnet sind und wie sie miteinander verbunden sind. Und während chemischer Reaktionen bestimmen diese Informationen das Ergebnis und werden umgewandelt. Moleküle stoßen zusammen, brechen auseinander, setzen sich wieder zusammen und bauen sich auf vorhersehbare Weise neu auf.
Symbolisches Bild
Pixabay
Es gibt noch eine andere Art, eine chemische Reaktion zu betrachten, sagt Juan-Pérez Mercader, externer Professor am Santa Fe Institute, Physiker und Astrobiologe an der Harvard University. Es handelt sich um eine Art von Berechnung. Ein Rechengerät nimmt Informationen als Eingabe auf, wandelt diese dann mechanisch um und erzeugt eine Ausgabe mit einem funktionalen Zweck. Die Eingabe und Ausgabe kann fast alles sein: Zahlen, Buchstaben, Objekte, Bilder, Symbole oder etwas anderes.
Oder, so Pérez-Mercader, Moleküle. Wenn Moleküle reagieren, folgen sie denselben Schritten, die auch Berechnungen beschreiben: Eingabe, Umwandlung, Ausgabe. "Es ist eine Berechnung, die steuert, wann bestimmte Ereignisse stattfinden", sagt Pérez-Mercader, "aber auf der Nanometerskala oder kürzer".
Moleküle mögen zwar klein sein, aber ihr Potenzial als Berechnungsinstrumente ist enorm. "Es handelt sich um ein sehr leistungsfähiges Rechenwerkzeug, das es zu nutzen gilt", sagt er und weist darauf hin, dass ein einziges Mol einer Substanz über 10^23 elementare chemische Prozessoren verfügt, die zu Berechnungen fähig sind. In den letzten Jahren hat Pérez-Mercader ein neues Gebiet entwickelt, das er "native chemische Berechnung" nennt. Es ist ein vielschichtiges Ziel: Er möchte nicht nur die Möglichkeiten des chemischen Rechnens nutzen, sondern auch Herausforderungen finden, für die es am besten geeignet ist.
"Wenn wir so eine enorme Leistung haben, welche Probleme können wir dann angehen", fragt er. Es sind nicht dieselben, die sich mit einem Supercomputer besser lösen lassen, sagt er. "Wofür sind sie also gut?"
Er hat einige Ideen. Chemische Reaktionen, sagt er, sind sehr gut darin, Dinge zu bauen. So "programmierte" seine Gruppe im Jahr 2017 chemische Reaktionen, um mit einer Reihe von Molekülen einen Behälter zusammenzusetzen. Das Experiment zeigte, dass diese Moleküle in gewisser Weise Informationen erkennen - und sie auf eine bestimmte Art und Weise umwandeln können, ähnlich wie beim Rechnen.
Pérez-Mercader und seine Hauptmitarbeiterin bei diesem Projekt, die Chemieingenieurin Marta Dueñas-Díez aus Harvard und dem Repsol Technology Lab in Madrid, haben kürzlich einen Bericht über ihre Fortschritte bei der chemischen Berechnung veröffentlicht. Darin beschreiben sie, wie mit Hilfe chemischer Reaktionen im Labor ein breites Spektrum an bekannten Rechensystemen, von einfachen Logikgattern bis hin zu Turing-Maschinen, aufgebaut werden kann. Ihre Ergebnisse, so Pérez-Mercader, deuten darauf hin, dass chemische Reaktionen, wenn sie wie andere Arten von Rechenmaschinen "programmiert" werden können, für Anwendungen in vielen Bereichen genutzt werden könnten, einschließlich der intelligenten Verabreichung von Medikamenten, neuronaler Netze oder sogar künstlicher Zellen.
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Originalveröffentlichung
“Native Chemical Computation. A Generic Application of Oscillating Chemistry Illustrated With the Belousov-Zhabotinsky Reaction."; Frontiers in Chemistry (2021)
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