Molecular Logic Gates Based on Pentacyanoferrate Complexes: From Simple Gates to Three-Dimensional Logic Systems

• Published in: Chemistry : a European journal 2004-05, Vol.10 (10), p.2520-2528
• Main Author: Szaciłowski, Konrad
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: cations; molecular devices; molecular logic gates; pentacyanoferrates; photochemistry
• ISSN: 0947-6539; 1521-3765
• DOI: 10.1002/chem.200305663

The article presents new aspects of reactivity of two pentacyanoferrates: [Fe(CN)5NO]2− and [Fe(CN)5N(O)SR]3−. The dependence of thermodynamic functions on cations was found for the reaction between nitroprusside and thiolate. The thermodynamic data are interpreted in terms of ion pairing and changes in the solvation shell of the cations. It was found that the reaction enthalpies and entropies depend strongly on the cation radius. The reaction volume in turn is strongly affected by the structure and properties of the hydration shell. Careful data analysis allowed the contribution of partial cation dehydration to the total reaction volume to be determined. The experimental results were also interpreted in terms of chemical logic gates. Complex logic systems were built from a number of cells containing a switching compound arranged in different geometric patterns. Increasing the dimensionality of these arrangements leads to really complex logic systems containing up to 20 AND and OR logic gates. The system is capable of processing up to 16 bits of input data. Niniejszy artykuł przedstawia nowe aspekty reaktywności dwóch pentacyjanożelazianów: [Fe(CN)5NO]2− i [Fe(CN)5N(O)SR]3−. Określono zależność pomiędzy funkcjami termodynamicznymi reakcji pomiędzy anionem nitroprusydku a anionami tiolanowymi od kationów obecnych w środowisku reakcji. Dane termodynamiczne zostały zinterpretowane w oparciu o prosty model elektrostatyczny tworzenia par jonowych oraz zmiany w otoczkach solwatacyjnych kationów. Stwierdzono, że entalpie molowe badanej reakcji silnie zależą od promienia kationu, a objęść molowa reakcji jest głównie związana ze struktura̧ i właściwościami otoczki solwatacyjnej. Szczegółowa analiza danych pozwoliła na obliczenie udziału częściowej desolwatacji kationu w całkowitej objętości reakcji. Dane eksperymentalne zostały także wykorzystane do stworzenia szeregu modeli molekularnych układów logicznych. Złożone układy logiczne zostały zbudowane w oparciu o różne zestawy kuwet zawierających roztwory związków o właściwościach przełączników molekularnych. Wraz z rosnącą liczbą wymiarów geometrycznych tych zestawów zauważono rosnący stopień złożoności realizowanych funkcji logicznych. Największy badany układ zawiera 20 bramek typu AND i OR. Układ ten umożliwia jednoczesne przetwarzanie 16 bitów informacji. Rapid development of computer techniques requires small and powerful logic gates, but silicon technology is reaching its physical limits. Chemical logic gates b