Как вычисляются химические реакции

Одна молекула содержит огромное количество информации. Он включает не только количество составляющих атомов каждого типа, но также то, как они устроены и как они прикрепляются друг к другу. А во время химических реакций эта информация определяет результат и преобразуется. Молекулы сталкиваются, распадаются, собираются и перестраиваются предсказуемым образом.

«Есть другой способ взглянуть на химическую реакцию», — говорит внешний профессор Института Санта-Фе Хуан-Перес Меркадер, физик и астробиолог из Гарвардского университета. Это своего рода вычисление . Вычислительное устройство — это устройство, которое принимает информацию в качестве входных данных, затем механически преобразует эту информацию и выдает некоторые выходные данные с функциональным назначением. Ввод и вывод могут быть практически любыми: числами, буквами, объектами, изображениями, символами или чем-то еще.

Или, как говорит Перес-Меркадер, молекулы. Когда молекулы реагируют, они выполняют те же шаги, которые описывают вычисления: ввод, преобразование, вывод. «Это вычисление, которое контролирует, когда происходят определенные события, — говорит Перес-Меркадер, — но в нанометровом масштабе или короче».

Молекулы могут быть небольшими, но их потенциал как инструментов вычислений огромен. «Это очень мощный вычислительный инструмент, который необходимо использовать», — говорит он, отмечая, что на один моль вещества приходится 10 ^ 23 элементарных химических процессора, способных выполнять вычисления. В течение последних нескольких лет Перес-Меркадер развивает новую область, которую он называет «естественными химическими вычислениями». Это многогранный квест: он хочет не только использовать химические вычисления, но и найти задачи, для которых они лучше всего подходят.

«Если у нас есть такая огромная сила, какие проблемы мы сможем решить?» он спрашивает. По его словам, они не такие, как те, которые можно было бы лучше решить с помощью суперкомпьютера. «Так для чего они нужны?»

У него есть идеи. По его словам, химические реакции очень полезны для строительства. Поэтому в 2017 году его группа «запрограммировала» химические реакции на использование связки молекул для сборки контейнера. Эксперимент продемонстрировал, что эти молекулы в определенном смысле могут распознавать информацию и преобразовывать ее определенным образом, аналогично вычислениям.

Перес-Меркадер и его главный сотрудник по проекту, инженер-химик Марта Дуэньяс-Диес из Гарварда и Repsol Technology Lab в Мадриде недавно опубликовали обзор своего прогресса в области химических вычислений. В нем они описывают, как химические реакции могут быть использованы в лаборатории для создания широкого спектра знакомых вычислительных систем, от простых логических вентилей до машин Тьюринга. Их результаты, говорит Перес-Меркадер, предполагают, что если химические реакции можно «программировать», как и другие типы вычислительных машин, они могут быть использованы для приложений во многих областях, включая интеллектуальную доставку лекарств, нейронные сети или даже искусственные клетки.