Thema_III

Een blik op de frontlijn van moleculair geheugen

J. J. Beekman, M. Gijzen en J. Hasenack

16 januari 2015

Tutor: Lieke MulderVak: Thema III deel 2Disciplines respectievelijk: Natuurkunde, Wiskunde, ScheikundeWoorden: ±5200

Samenvatting

Moleculair geheugen (MG) is een techniek voor opslag van data waarbij moleculen worden

gebruikt als opslagelement (Shipway et al. 2001). Het is een onderzoeksgebied in opkomst.

Het gebied is zeer interdisciplinair en vergt dus ook een directe interdisciplinaire aanpak (Fren-

ken 2014, Personal Communication). In dit onderzoek wordt geadviseerd welke moleculaire

eigenschappen potentieel het meest geschikt zijn voor het gebruik in een conventioneel com-

putergeheugen. Data uit de drie meest onderzochte technieken voor een MG (figuur 3) wordt

geanalyseerd aan de hand van een eisenboom (figuur 2) en samengebracht met het beoorde-

lingsmodel van Saaty. Ondanks dat er geprobeerd is zo neutraal mogelijk artikelen te vinden,

kan de gemaakte keuze het resultaat beinvloed hebben. Een systeem op basis van conductie

blijkt de meeste potentie te hebben om een MG te realiseren. Dit is grotendeels te weiten aan

de grote hoeveelheid onderzoek die naar een MG op basis van conductie is gedaan.

1

Inhoudsopgave

1 Inleiding 3

1.1 Onderzoeksgebied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Moleculaire Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.1 Optisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2.2 Conductiviteit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2.3 Magnetisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Hypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Methode 6

2.1 Eisenboom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Kwalitatieve beoordeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 Resultaten 11

3.1 Literatuuronderzoek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Resultaten eisenboom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Verantwoording scores op de eisenboom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.1 Soorten moleculair geheugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.3.2 Tabel resultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.3.3 Warmteontwikkeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Discussie 15

4.1 Beoordeling aan de hand van eisenboom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Foutendiscussie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5 Conclusie 19

6 Dankwoord 20

A Beoordelingsmatrix Saaty 25

B QQPlots data artikelen 26

C Beoordeling artikelen 29

2

1 Inleiding

Moleculair geheugen (MG) is een techniek

voor opslag van data waarbij moleculen wor-

den gebruikt als opslagelement in plaats

van bijvoorbeeld transistoren (Shipway et al.

2001). Met de huidige technieken worden

de limieten bereikt van het zo klein mogelijk

maken van opslagmediamedia met een grote

dichtheid en laag energieverbruik. MG zou de

mogelijkheden van dataopslag enorm kunnen

verhogen.

MG maakt gebruik van moleculen die zich

bistabiel zijn; stabiel in twee verschillende

toestanden kunnen bevinden. Tussen toe-

standen kan worden geswitched door bijvoor-

beeld toevoeging van lading of een verande-

ring in molecuulstructuur. Op deze manier

kunnen moleculen binaire informatie opslaan.

Er is in theorie slechts een molecuul nodig om

een bit op te slaan. Hierdoor kunnen opslag-

systemen veel kleiner worden gemaakt dan

ze nu zijn. Er wordt voornamelijk gekeken

naar MG als toepassing voor computergeheu-

gen zoals RAM, random access memory. Om-

dat een RAM, als werkgeheugen van een com-

puter, informatie maar kort op hoeft te slaan,

hoeven moleculen maar een beperkte tijd sta-

biel te zijn in een bepaalde toestand.

In de huidige situatie zal het geheugen

minder efficient zijn dan een bit per molecuul,

door aanpassingen die nodig zijn om informa-

tie op te slaan, af te lezen en te schrijven

(’t Hooft 2011). Raman et al. (2013) heeft

aangetoond dat een moleculaire geheugencel

een commercieel apparaat niet van genoeg

energie zou kunnen voorzien. Het gebied van

MG is echter veelbelovend. Grote probleem-

gebieden als temperatuur en de vormgeving

van het systeem zijn al grotendeels opgelost

(Meena et al. 2014). Daarnaast zorgen de be-

nodigdheden voor systemen rondom militaire

vluchtdemonstraties en verre ruimte operaties

voor een toenemende behoefte aan lokaal elek-

tronisch geheugen, bijvoorbeeld voor weten-

schappelijke data-analyse. Maar tegelijkertijd

moeten massa, volume en kracht worden ge-

minimaliseerd. MG is hiervoor een veelbelo-

vende kandidaat (NASA 2008). Vooralsnog

bestaat MG alleen in het labaratorium.

1.1 Onderzoeksgebied

MG is een onderzoeksgebied in opkomst. In

afbeelding 1 is te zien dat MG momenteel een

sterk groeiend vakgebied is. In 1994 werden

er slechts 5 publicaties naar ’molecular me-

mory’ gedaan. In 2014 waren dat er al 113

(sciencedirect.com, Nov. 2014).

Het onderzoek naar MG hangt als los

zand aan elkaar, aldus Frenken (2014, Per-

sonal Communication). De verschillende on-

derzoeken naar moleculen die eventueel voor

een MG gebruikt zouden kunnen worden, on-

derzoeken verschillende fysische eigenschap-

pen van moleculen zonder hier een duidelijke

overweging in te maken. Daarnaast vindt er

veel multidisciplinair onderzoek plaats, bij-

voorbeeld door ’t Hooft (2011), waarbij de

hulp van andere disciplines, in dit geval schei-

kunde, gevraagd wordt. Het gebied is ech-

ter zeer interdisciplinair en vergt dus ook een

directe interdisciplinaire aanpak, om effectief

onderzocht te kunnen worden (Frenken 2014,

Personal Communication). In dit onderzoek

wordt er getracht een rode draad te vinden

in het onderzoek naar MG, door middel van

interdisciplinair onderzoek. De drie meest

onderzochte types van moleculair geheugen

switches worden met elkaar vergeleken aan de

hand van verschillende eisen voor MG. Als een

methode meer potentie blijkt te hebben voor

gebruik bij MG, zou dit onderzoek het empi-

risch onderzoek naar moleculen voor MG in

een bepaalde richting kunnen sturen. Om dit

te onderzoeken worden de disciplines van de

wiskunde, de scheikunde en de natuurkunde

samen gebracht.

Vanuit de scheikunde kunnen de veschil-

3

lende moleculen en de chemische eigenschap-

pen van het systeem worden bestudeerd. Van-

uit de natuurknde kunnen de fysische eigen-

schappen van het systeem worden geanayl-

seerd. Hieronder vallen de output van de in-

formatie en de consequenties die deze output

heeft voor het systeem, bijvoorbeeld voor de

warmteontwikkeling. Voor een volledig begrip

van MG is samenwerking tussen beide disci-

plines noodzakelijk. Om het gehele systeem

te kunnen beoordelen moeten de scheikundige

en natuurkundige aspecten door middel van

een wiskundig beoordelingsmodel worden sa-

mengebracht, om kwalitatieve data kwantita-

tief te maken.

Figuur 1: Het aantal publicaties over molecular memory is genormaliseerd over het totale aantal

publicaties die dat jaar zijn uitgegaan. De gegevens zijn gebaseerd op de zoekresultaten van

sciencedirect.com (Nov. 2014).

Er zijn verschillende soorten moleculen die

zich lenen om een MG te maken en er zijn

bepaalde voorwaarden verbonden aan de ge-

schiktheid van deze moleculen voor een MG.

In dit onderzoek wordt getracht een overzicht

te geven van de moleculaire eigenschappen die

nu worden onderzocht om als bit te fungeren.

Ook worden de verschillende voor- en nade-

len van elke moleculaire eigenschap in beeld

gebracht, aan de hand van de eigenschappen-

boom uit figuur 2. In dit onderzoek wordt

geadviseerd welke moleculaire eigenschappen

potentieel het meest geschikt zijn voor het ge-

bruik in een conventioneel computergeheugen,

zoals RAM.

1.2 Moleculaire Switches

Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar

MG met veschillende switchtypes. De belang-

rijkste worden toegelicht.

1.2.1 Optisch

Een veel onderzochte moleculaire switch, is

er een op basis van absorptie (oftewel kleur).

Absorptie betekent dat het molecuul fotonen

van een bepaalde golflengte opneemt,

4

Toestandsverschil Uitleesmethode Schrijfmethode

Optisch Meting van de absorbtie

en emissie

Licht of elektrische stroom

Conductiviteit Meting van de weestand Elektrische stroomMagnetisme Verschilt sterk per onder-

zoek

Magnetisch veld

Tabel 1: Soorten moleculair geheugen

waardoor het molecuul een complementair

spectrum vertoont. Een alternatieve manier

is gebruik maken van fluorescentie. Hierbij

zendt het molecuul, na aangeslagen te zijn

door fotonen, zelf fotonen van een lagere golf-

lengte uit. Het verschil tussen de twee toe-

standen kan worden bereikt door een binding

te vormen of te breken, de conformatie van

het molecuul te veranderen of door een reac-

tie.

1.2.2 Conductiviteit

Dit moleculair geheugen werkt op basis van

het verschil in conductiviteit van het mole-

cuul. Het molecuul heeft een toestand waar

het in staat is elektronen door te laten en

een toestand waarbij dit niet of nauwelijks

gebeurt. Dit verschil is vaak op basis van

oxidatietoestand. Door een redoxreactie kan

deze worden veranderd. Het molecuul is vaak

in vaste toestand tussen twee elektroden ge-

klemd.

1.2.3 Magnetisme

Een derde type switch maakt gebruik van

magnetisme. Hier wordt een magneetveld

gebruikt om moleculen in twee verschillende

toestanden te krijgen. Het onderzoek naar

het gebruik van magnetisme in een molecu-

lair is pas de laatse jaren op gang gekomen

onder de naam ’spintronics’. Door een mole-

cuul in een magnetisch veld te plaatsen, kan

de spin van een molecuul veranderen wat ge-

volgen heeft voor verschillende meetbare ei-

genschappen van het molecuul. Ook kan een

molecuul door een elektrisch veld zo gemani-

puleerd worden, dat zijn meetbare magneti-

sche eigenschappen veranderen. Huidige com-

putergeheugens werken ook veelal met mag-

netisme, dus er is al veel kennis op dit gebied

beschikbaar.

1.3 Hypothese

Volgens Feringa (2014, Personal Communi-

cation) bieden vooral het gebruik van opti-

sche switch en switch op basis van conduc-

tie potentie voor de implementatie van een

MG, omdat er over beiden veel onderzoek ge-

daan is. Volgens ’t Hooft (2011) is conduc-

tie een betere mogelijkheid, omdat er in the-

orie een systeem onwikkeld zou kunnen wor-

den, waarbij elke elektron gebruikt wordt voor

een switch. Hierdoor zal er dan geen rest-

warmte ontwikkeld worden, terwijl er met het

gebruik van licht altijd een warmteontwikke-

ling zal zijn. Volgens Steffens et al. (2014,

Personal Communication) is dit in de praktijk

echter vrijwel onmogelijk en zal een elektrisch

systeem vrijwel altijd meer warmte genereren.

De warmteontwikkeling is een van de grootste

problemen in de huidige pogingen om de in-

formatiedichtheid in electronische geheugen-

systemen te vergroten. Een systeem dat licht

gebruikt om informatie te schrijven en te le-

zen, leidt waarschijnlijk tot een MG met de

beste prestaties. Er wordt dan aangenomen

dat optische systemen en systemen op basis

van conductiviteit in de zelfde mate voldoen

aan andere eisen aan een MG.

5

2 Methode

Zoals hiervoor aangetoond wordt er steeds

meer onderzoek gedaan naar moleculaire ge-

heugens. Om te onderbouwen dat de hiervoor

beschreven moleculaire switches de meest on-

derzochten systemen zijn, zal er allereerst een

steekproef gedaan worden. De eerste om en

nabij dertig relevante artikelen die gevonden

worden met de zoekterm ’moleculair memory’

zullen naar switchtype ingedeeld worden.

Van de drie meest onderzochte switch me-

thodes worden vervolgens meer publicaties ge-

zocht, tot dat er van elke soort moleculaire

switch ongeveer tien publicaties beschikbaar

zijn. Op deze manier kunnen de verschillende

moleculaire switches eerlijk met elkaar ver-

geleken worden. Voor elk type moleculaire

switch wordt er per eis uit de eisenboom in fi-

guur 2 beoordeeld hoe het scoort ten opzichte

van de andere methodes. Uit de analyse zal

volgen of een van de drie onderzochte mole-

culaire switches meer potentie biedt dan de

anderen.

2.1 Eisenboom

Niet alle eisen die gesteld kunnen worden aan

een switchtype wegen even zwaar. Daarom

worden de eisen ingedeeld van primaire tot

en met quaternaire eisen (zie figuur 2). Deze

eisen zijn een goede weergave van de eisen

die zullen worden gesteld bij de ontwikkeling

van een moleculair geheugen (Feringa 2014,

Personal Communication). De verschillende

systemen van moleculair geheugen zullen aan

deze eisen getoetst worden.

Het gebruik van een hierarchische struc-

tuur is nodig bij het maken van beslissingen,

waarbij de criteria van verschillend belang

zijn. Een hierarchische structuur maakt het

mogelijk de focus te leggen op enkele elemen-

ten per keer per level en is daardoor van groot

belang bij het maken van beslissingen of be-

oordelingen (Saaty 1978).

Een primaire eis is dat de gebruikte mo-

leculen kunnen functioneren als moleculaire

schakelaar. Het molecuul kan dan bits van

1 of 0 weergeven, zoals een computer vol-

gens de huidige technologie (de Ruiter and

van der Boom 2011). Zo kan een molecuul

de fundamentele eigenschappen van een com-

putergeheugen nabootsen. Er moet ook een

duidelijk verschil zijn tussen beide toestan-

den. De toestanden van het molecuul moe-

ten apart detecteerbaar zijn (Feringa et al.

1993) en er moet een zeker ongedefinieerd

’veiligheidsgebied’ zijn tussen de detectie van

beide toestanden (Steffens et al. 2014, Perso-

nal Communication). Dit is nodig omdat de

informatie anders verkeerd kan worden afgele-

zen. De aan/uit-ratio moet dus groot genoeg

zijn; ’aan’ moet genoeg verschillen van ’uit’.

Het verschil tussen de beide toestanden kan

bijvoorbeeld zitten in de intensiteit van het

absorptiespectrum van het molecuul of in de

conductiviteit.

Een secundair vereiste is dat de gebruikte

moleculen op een stabiele manier kunnen wor-

den opgeslagen. Zowel het molecuul zelf als

de manier van opslag moeten stabiel zijn, zo-

dat het molecuul niet uiteenvalt of verandert

van toestand. Als dit wel gebeurt, heeft dit

direct negatieve gevolgen voor de primaire

vereisten. Het molecuul moet alleen door een

externe factor kunnen wisselen van staat. Dit

is noodzakelijk omdat er anders informatie

verloren kan gaan. Moleculen in oplossing,

een vorm van opslag die vooralsnog veel ge-

bruikt wordt,

6

Figuur 2: De eigenschappenboom van de eisen aan een MG en hun respectievelijke waardering.

De punten geindiceerd met (*) worden genoemd door Feringa et al. (1993, p. 8271) als vereisten,

de overige punten volgen uit economische overwegingen en een algemene tendens in de literatuur

over MG. De waardering van de eisen is bij persoonlijke communicatie met Steffens et al. (2014,

Personal Communication) vastgesteld.

interfereren bijvoorbeeld eerder met in-

voer bedoeld voor andere moleculen dan

oppervlakte-gebonden moleculen en zijn daar-

door minder stabiel (de Ruiter and van der

Boom 2011). Bovendien moet het systeem

robuust zijn (Feringa 2014, Personal Com-

munication), zodat het zijn informatie niet

verliest tijdens gebruik.

De tertiaire vereisten brengen ons van the-

7

orie naar praktijk. Behalve dat een molecuul

in theorie moet kunnen werken als opsla-

geenheid, moet het ook op grote schaal te

synthetiseren zijn. Eveneens moet de externe

factor het molecuul goed kunnen switchen

tussen de twee staten. Als daar buitenpro-

portioneel veel energie voor nodig is, of als

hier zeer omslachtige apparatuur voor nodig

is, zal het systeem waarschijnlijk niet goed

kunnen functioneren. Deze eisen zijn ook

onderzoeksgevoelig: nieuwe ontdekkingen op

het gebied van synthese of reactie die voor de

switch zorgt, kunnen een molecuul dat eerst

niet bruikbaar was toch bruikbaar maken.

Daarnaast moet de methode zorgen dat het

moleculair geheugen een verbetering is ten

opzichte van de computers zoals die nu wor-

den gemaakt. Hiervoor is het belangrijk dat

dezelfde techniek wordt gebruikt voor het be-

schrijven en voor het lezen van de moleculen.

Dit is noodzakelijk omdat de moleculen zo

beter op elkaar aangesloten kunnen worden

tot complexe logische systemen (de Ruiter

and van der Boom 2011). Bij een inhomoge-

niteit in het systeem zal dit nadelige gevolgen

hebben voor de complexiteit van de te gebrui-

ken apparatuur en zal het vrijwel zeker een

veel complexer systeem worden ten opzichten

van huidige computergeheugens. Ook is het

belangrijk dat een molecuul snel beschreven

en afgelezen kan worden, zodat de computer

als geheel sneller kan zijn. Ten slotte moe-

ten er geen ongewenste bijproducten zoals

veel warmteontwikkeling (Steffens et al. 2014,

Personal Communication), of restproducten

van chemische reacties (Feringa et al. 1993)

ontstaan bij gebruik.

De quaternaire vereisten zijn niet tech-

nisch van aard, maar wel belangrijk op een

maatschappelijk niveau. Het gaat er hier

om dat het moleculair geheugen betaalbaar

en duurzaam gemaakt kan worden. Deze ei-

sen zijn niet van academisch belang (Steffens

et al. 2014, Personal Communication) en wor-

den daarom niet expliciet meegenomen met

de beoordeling van de soorten moleculair ge-

heugen. Als meerdere soorten ongeveer even

goed blijken te zijn, kunnen de quaternaire

eisen de doorslag geven op voor uiteindelijke

conslusie.

2.2 Kwalitatieve beoordeling

Met dit onderzoek worden verschillende types

moleculair geheugen met elkaar vergeleken.

Dit wordt gedaan aan de hand van de eisen-

boom (figuur 2), een hierarchische structuur

voor de eisen die aan moleculair geheugen ge-

steld kunnen worden. De verschillende eisen

zijn van verschillende waarde: de primaire

eisen zijn belangrijker dan de secundaire, en

moeten dus zwaarder meetellen in de beoor-

deling.

Om de verschillende soorten moleculair

geheugen kwalitatief te beoordelen wordt er

gebruik gemaakt van een methode beschreven

door Saaty (1977). Deze methode geeft een

voorschrift van hoe we een verzameling van

observabelen kunnen beoordelen aan de hand

van een set van vereisten, met ieder een eigen

gewicht passend bij het belang.

Allereerst moet voor iedere eis de waarde

van deze in het systeem worden benaderd.

Om dit te doen wordt een tabel opgesteld.

De Ai’s voor i ∈ (1, . . . 11) zijn de eisen die

meegenomen worden in de beoordeling. De

wi met i ∈ (1, . . . 11) zijn de waardes die

een eis, Ai, heeft bij het beoordelingsproces.

Deze waardes zijn nog onbekend. Eerst wor-

den de verhoudingen van waardes van ver-

schillende eisen opgesteld. Dus wi/wj met

i, j ∈ (1, . . . 11) (tabel 2. Voor het benade-

ren van deze verhoudingen maken we gebruik

van een schaal van 1-9, die uitgelicht staat in

tabel 3.

8

A1 A2 . . . An

A1 w1/w1 w1/w2 . . . w1/w11

A2 w2/w1 w2/w2 . . . w2/w11

......

......

A11 w11/w1 w11/w2 w11/w11

Tabel 2: De opbouw van de beoordelings-

matrix

Eis 1, de mogelijkheid te switchen tussen

twee staten, is veel belangrijker dan eis 8, een

snelle switchtijd, dus komt voor w1/w8 9 te

staan, en voor w8/w11/9.

De wi/wj in de tabel worden verder be-

handeld als matrix. Op de diagonaal van de

matrix komt alleen 1 voor, wi/wi is immers

1. Als de matrix consistent is, kunnen de

waardes wi voor alle Ai worden bepaald door

de eigenvector horende bij de maximale ei-

genwaarde te berekenen. Deze eigenvector is

namelijk gelijk aan (w1 . . . w11), de waardes

die de eisen hebben bij het beoordelingspro-

ces. Eerst wordt dus een benadering gemaakt

van de verhoudingen van alle waardes en

daaruit kunnen de daadwerkelijke waardes

worden berekend. Voor uniciteit zorgen we

dat11∑i=1

wi = 1.

Eerst moet echter de consistentie van de

matrix worden getoetst. Allereest wordt

µ bekeken: het gemiddelde van de eigen-

waardes, behalve van de maximale ( µ =

1n−1

n∑i=2

λi, λmax ≡ λ1). Wanneer geldt dat

(µ/2)1/2 > 1 is er mogelijk een indicatie voor

inconsistentie, dus dit wordt eerst getest. Ver-

der moet gelden dat λmax dicht bij 11, de

orde van de matrix, of de hoeveelheid eisen

die worden vergeleken, ligt: λmax ≈ 11. Bij

inconsistentie moet de matrix worden aange-

past.

Vervolgens kunnen de verschillende ty-

pes geheugen worden vergeleken. Dit wordt

gedaan per eis: voor iedere eis uit de be-

oordeling wordt een tabel opgesteld, zoals

voorheen. Bij eis Ai hoort dan tabel (of ma-

trix) Bi. Het is binnen het onderzoek niet

mogelijk exacte waardes te geven aan hoe een

type geheugen scoort bij een afzonderlijke

eis. Daarom wordt dezelfde schaling gebruikt

als voorheen (tabel 3). Als blijkt dat geheu-

gen soort 1 een veel snellere switchtijd heeft

dan soort 2, is de verhouding van dezesoor-

ten geheugen met betrekking tot de eis snelle

switchtijd volgens de tabel gelijk aan bijvoor-

beeld 5. Op de diagonaal van deze matrix

komt weer 1 te staan (tabel 4.

Bi t1 t2 . . .

t1 1 . . . . . .t2 . . . 1 . . ....

......

...

Tabel 4: Voorbeeld van een beoordeling

Ook deze matrices moeten op consisten-

tie worden getest. Als hieraan wordt vol-

daan, wordt voor iedere matrix de genor-

maliseerde eigenvector horende bij de maxi-

male eigenwaarde bepaald. Een eigenvector

bj horende bij de matrix Bj ziet eruit als

(w1j w2j w3j), en geeft voor ieder type

switch (1 t/m 3: conductie, magnetisme en

optisch) de waarde van ieder type geheugen

relatief tot eis Aj . Al deze eigenvectoren wor-

den in de juiste volgorde achter elkaar gezet

(dus b1, b2, ..b11), om een matrix van eigenvec-

toren te vormen. Als we het product nemen

van deze matrix met de eigenvector van de

eerdere matrix, dus het product met de vector

9

Intensiteit

belang

Betekenis Beschrijving

1 Hetzelfde belang Twee activiteiten dragen even-

veel bij aan de doelstelling3 Klein belang van

het ene over het an-

dere

Oordeel en ervaring stelt de ene

eis enigzins boven de andere qua

belang5 Essentieel of sterk

belang

Oordeel en ervaring stelt de ene

eis zwaar boven de andere qua

belang7 Aangetoond belang Een activiteit heeft sterk de

voorkeur en zijn dominantie is

aangetoond in de praktijk9 Absoluut belang Het bewijs dat sterk de voorkeur

geeft aan een activiteit over een

andere is van de hoogst mogelijke

orde2, 4, 6, 8 Tussenliggende

waardes tussen

Als een compromis nodig is

twee opeenvolgende

beoordelingen

Tabel 3: De schaal en zijn omschrijving (Saaty 1977)

die de waardes van iedere eis bevat, komen we

tot een nieuwe vector: (s1 s2 s3). In deze

vector staat wat we willen weten: de waarde-

ring van ieder type switch met betrekking tot

alle eisen.

10

3 Resultaten

3.1 Literatuuronderzoek

De eerste 31 relevante artikelen met zoekterm

”molecular memory”zijn bestudeerd. De re-

sutaten zijn weergegeven in figuur 3.

Het is te zien dat het meeste onderzoek

zich richt op verschil op basis van conductie,

een techniek die veel overeenkomsten heeft

met hoe computers volgens de huidige tech-

nologie werken. Magnetisme en polarisatie

worden nog weinig onderzocht, terwijl optisch

MG regelmaltig voorkomt.

3.2 Resultaten eisenboom

Aan de hand van de eisenboom (figuur 2) is de

tabel opgesteld met de verhoudingen van de

waardes van verschillende eisen. Deze tabel

staat in Appendix A (tabel 15).

Voor de eigenwaarde van de matrix in

deze tabel geldt: λmax = 11, 56. Daarnaast

is (µ/2)1/2 = 1.04 ∗ 10−17 + 0.17i < 1. De

vector met de relatieve waardes van alle eisen

is als volgt:

A1 0.279A2 0.279A3 0.108A4 0.108A5 0.108A6 0.019A7 0.019A8 0.019A9 0.019A10 0.019A11 0.019

Tabel 5: de waardes van de eisen

3.3 Verantwoording scores op

de eisenboom

In de analyse zijn de eerste elf eisen uit de ei-

senboom behandeld. Verschillende artikelen

die een zelfde methode onderzoeken,

Figuur 3: Het onderzoek naar verschil-

lende methoden van MG over 31 artikelen.

De artikelen zijn gesorteerd naar onder-

werp: conductiee, magnetismef, optischg

en polarisatieh.

a(McCreery et al. 2014; Lee et al. 2011, 2010;

Ren et al. 2013; Burkhardt et al. 2010; Bhunia

et al. 2012; Paul et al. 2012; Li et al. 2013; Kano

et al. 2012; Min et al. 2013; Bustard et al. 2013;

de Ruiter et al. 2010a; Miao et al. 2012; Pan et al.

2011; Liu and Chen 2011; Tian et al. 2011; Zhang

et al. 2011; Medalsy et al. 2010)b(Raman et al. 2013; Wan et al. 2012; Prins

et al. 2011; Simao et al. 2011)c(de Ruiter et al. 2010b; Burova et al. 2010;

Akamatsu et al. 2014; MacVittie et al. 2012;

Andreasson et al. 2011; Avellini et al. 2012;

Pischel and Andreasson 2010)d(Kawamoto et al. 2013; Mizuno et al. 2000)e(McCreery et al. 2014; Lee et al. 2011, 2010;

Ren et al. 2013; Burkhardt et al. 2010; Bhunia

et al. 2012; Paul et al. 2012; Li et al. 2013; Kano

et al. 2012; Min et al. 2013; Bustard et al. 2013;

de Ruiter et al. 2010a; Miao et al. 2012; Pan et al.

2011; Liu and Chen 2011; Tian et al. 2011; Zhang

et al. 2011; Medalsy et al. 2010)f(Raman et al. 2013; Wan et al. 2012; Prins

et al. 2011; Simao et al. 2011)g(de Ruiter et al. 2010b; Burova et al. 2010;

Akamatsu et al. 2014; MacVittie et al. 2012;

Andreasson et al. 2011; Avellini et al. 2012;

Pischel and Andreasson 2010)h(Kawamoto et al. 2013; Mizuno et al. 2000)

scoren op sommige eisen gelijksoortig. Er

zijn dus een aantal generalisaties te maken per

methode. Deze generalisaties volgen uit de

theorie, of uit de bevindingen van de artike-

11

len. De eisen uit de eisenboom zullen aan de

hand van deze twee vormen van generalisatie

behandeld worden.

3.3.1 Soorten moleculair geheugen

Hoe is het molecuul in staat om een bit voor

te stellen? Uit de theorie volgen molecu-

laire eigenschappen, deze eigenschappen wor-

den in het onderzoek op verschillende manie-

ren geexploiteerd.

Optisch geheugen Bij absorptie gaat het

erom dat het molecuul bepaalde elektromag-

netische straling absorbeert (absorptie). Hier-

door raken elektronen in een aangeslagen toe-

stand. Bij het terugvallen naar de grondtoe-

stand kan er weer elektromagnetische stra-

ling worden uitgezonden (fluorescentie). Het

onderzochte moleculair geheugen dat gebruik

maakt van absorptie of fluorescentie als ma-

nier om onderscheid te maken tussen twee

toestanden, doet dat vaak door met elektro-

magnetische straling een binding te maken of

te breken in het molecuul. Het is hierbij be-

langrijk dat deze elektromagnetische straling

een andere golflengte heeft dan de golflengte

die het molecuul zelf absorbeert. Een mole-

cuul waarbij elektronen zich (door een gecon-

jugeerd systeem) vrij door een groot deel van

het molecuul kunnen bewegen, zal een hogere

golflengte absorberen. Veel technieken maken

daarom gebruik van de zogenaamde ringslui-

tingstechniek voor moleculair geheugen. Hier-

bij wordt een binding gemaakt waardoor een

benzeenring ontstaat. Ook kan er gebruik

gemaakt worden van eiwitten die in een be-

paalde vouwing een andere golflengte absor-

beren dan in een andere. Een andere techniek

is het veranderen van de oxidatietoestand van

het centrale atoom. De overeenkomst tussen

deze technieken is dat het energieverschil tus-

sen de laagste door elektronen onbezette mo-

lecuulorbitaal en het hoogste onbezette orbi-

taal verschillend is. Hierdoor wordt een foton

met een andere energie en dus golflengte ge-

absorbeerd.

Conductie Conductie, de meest gebruikte

techniek, heeft veel overeenkomsten met de

huidige technologie wat betreft computerge-

heugen. Het berust regelmatig op een ver-

schil in oxidatietoestand. Dit betekent dat

er een redoxreactie plaatsvindt, vaak met het

centrale atoom in het molecuul. Dit atoom

krijgt dan meer elektronen of staat elektro-

nen af. Hierdoor verandert de spin van het

atoom: het verantdert van diamagnetisch in

paramagnetisch of andersom. De elektronen

verdelen zich op een andere manier over de

energieniveaus, waardoor er meer of minder

gepaarde elektronen zijn en de spin van het

molecuul verandert. Hierdoor gaat het mole-

cuul juist wel of niet geleiden.

Magnetisme Met behulp van een magne-

tisch veld kan de spin van moleculen bein-

vloed worden. Dit heeft op zijn beurt invloed

op het conductieve karakter van een molecu-

laire nanodraad. De spin beinvloed de onze-

kerheid in de locatie van de elektronen waar-

door de charge dencity wave (CDW) als ge-

heel wordt beinvloed. Soms kan ook het op-

tische of magnetische karakter van een mole-

cuul samen met de spin bistabiel veranderen.

12

Figuur 4: De spin van moleculen beınvloedt de charge dencity wave (CDW) en zodoende de

conductiviteit. Afbeelding verkregen van (www.fom.nl, Jan. 2015).

3.3.2 Tabel resultaten

De resultaten van de artikelen die zijn door-

genomen staan weergegeven in Appendix B.

Aan de hand van deze informatie is met

behulp van de methode van Saaty (1977) de

vector uitgerekend die voor ieder type geheu-

gen de relatieve waarde bevat. De resultaten

zijn als volgt (E staat voor elektrisch, oftewel

conductie):

E M O

score 0.46 0.25 0.28

Tabel 6: Verhoudingen van de waarden

van de eisen

3.3.3 Warmteontwikkeling

Aangezien de magnetische systemen allemaal

een andere werking hebben, kunnen hier geen

eenduidige uitspraken over worden gedaan

wat betreft de warmteontwikkeling. Conduc-

tie en optisch zijn echter wel te vergelijken.

Volgens Steffens et al. (2014) hebben opti-

sche systemen zelfs altijd minder warmte-

ontwikkeling dan een elektrisch (conductie)

systeem. Dit is voor een groot deel te wijten

aan dat electronen door stroomdraden ver-

plaatst dienen te worden en hierbij al warmte

ontwikkelen, terwijl fotonen direct naar hun

doellocatie gestuurd kunnen worden.

In Pischel and Andreasson (2010) wordt

een optische switch gebruikt. Het molecuul

wordt bestaald met 100mW/cm2 gedurende

10 minuten om te switchen. Dit is een van

de minst efficiente optische systemen die in

gevonden. Op een tweedimensionale geheu-

gencel van 1cm2 dat met deze moleculaire

switches bedekt is, zou de switch van al deze

switches tegelijk in die 10 minuten een ener-

gietoename geven van (600s · 100mW =)60J .

Op een vergelijkbare geheugencel die elec-

trische switches gebruikt, zal de enige warm-

teontwikkeling ontstaan in de bedrading vol-

gens formule 1.

Uwarmte = I ·Rdraad (1)

Rdraad = ρl

A(2)

Rnanodraad = R0 · eβl (3)

Waarbij Uwarmte de warmte-energie in

Joule, I de stroom die door de draad loopt

in Ampere, en Rdraad de weerstand is in

Ohm is. De weerstand van een draad schaalt

klassiek lineair met de lengte van de draad

13

volgens formule 2, waarbij ρ een constante,

l de lengte van de draad en A de doorsnee

van de draad zijn. Bij moleculaire draden tot

een lengte van 2nm blijkt de weerstand van

de draad echter exponentieel met de lengte

te schalen volgens formule 3, waarbij R0 een

integratieconstante is en β een constante van

de weerstand van de draad. Een voorbeeld

van een moleculaire draad met een relatief

lage weerstand is een OPI (conjugated oli-

gophenyleneimine) draad met een weerstand

van R = 106Ω per 2nm (Choi et al. 2008). De

weerstand loopt vanaf dat punt in de expe-

rimenten nog exponentieel op met de lengte

van de draad, maar voor de zekerheid zal de

weerstand van de draad vanaf deze lengte als

lineair oplopend geschouwd worden.

Figuur 5: Een schematische weergave van

de vertakkingen binnen een geheugencel.

De figuren M1 zijn de moleculaire swit-

ches. Figuur verkregen uit ’t Hooft (2011).

Vervolgens moet de lengte van de bedra-

ding in het circuit bepaald worden. Volgens

’t Hooft (2011) is de lengte van de bedrading

in een systeem zoals weergegeven in figuur 5

gegeven door 12

+ 213

4+ 2

23

8+ ... ≈ 1, 3512 maal

de minimale bedrading per bit. De bedra-

ding per molecuul kan niet minder zijn dan

de grootte van het molecuul, anders zullen

de molecullen in deze configuratie over elkaar

heen komen te liggen. De moleculaire swit-

ches zitten allemaal in de schaalgrootte van

ongeveer 1nm. De totale weerstand in de ge-

heugencel wordt dus:

Rdraad =1

2· ldraad · 106Ω

≈ 1

2· 1, 3512 ·Naantalbits · 106Ω

En:

[U ] = [I] · [R]

[I] =[U ]

[R]

C/s ≤ 60J

0, 68 · 106 ·NaantalbitsΩ

De 60J die als energie wordt genoemd is

de warmte-energie die in een optische geheu-

gencel opgewekt wordt. Er wordt immers een

vergelijking gemaakt. De eenheid van stroom

is hier geschreven in Coulomb per seconde.

Een Coulomb is de lading van 6, 24 ·1018 elek-

tronen. Als er uitgegaan wordt van het ideale

geval en elke geheugencel heeft aan de lading

van een elektron genoeg om te switchen, dan

is het aantal geladen elektronen per seconde

gelijk aan het aantal bits. Gemiddeld swit-

chen de moleculen namelijk ook na ongeveer

een seconde. De vergelijking wordt hier mee:

Naantalbits ≤ 6, 24 · 1018 · 60J

0, 68 · 106 ·NaantalbitsNaantalbits ≤ 2, 34 · 107bits

∼= 2, 80megabytes

Aangenomen dat de nauwkeurigheid van

de bestraling in een optisch systeem niet gro-

ter is dan strikt noodzakelijk, zal de warm-

teontwikkeling in een optisch systeem al-

tijd hetzelfde zijn (de oppervlakte van het

systeem maal de intensiteit van de bestra-

ling). Op deze manier zal een elektrisch

systeem alleen bij een zeer lage informatie-

dichtheid per oppervlak minder warmteont-

wikkeling geven. Uit de berekening volgt

dat een elektrisch systeem van meer dan 3

14

megabytes/cm2 ook meer warmteontwikke-

ling zal ondervinden dan een optisch systeem.

4 Discussie

4.1 Beoordeling aan de hand

van eisenboom

Alle onderstaande interpretaties werden ge-

daan aan de hand van drie tabellen in de bij-

lage: tabel 16, 17, 18. Voor de cijfers bij de

beoordeling wordt gekeken naar tabel 3.

A1 De mogelijkheid te switchen tus-

sen twee toestanden Er is te zien dat

vrijwel alle gelezen moleculaire geheugens de

mogelijkheid hadden te switchen, op een enkel

uniek geval na. Daarom werden alle switch

types als gelijkwaardig behandelt wat betref

deze eis. De matrix met de verhoudingen

van de waardes van de switchtypes met be-

trekking tot eis A1 is weeggegeven in tabel

7 (E staat voor elektriciteit oftewel conductie)

B1 E M O

E 1 1 1M 1 1 1O 1 1 1

Tabel 7: Matrix van de relatieve waarde-

ring van de switchtypes op eis A1

A2 Genoeg verschil tussen de toe-

standen Om het verschil tussen de toe-

standen aan te geven wordt gebuik gemaakt

van de on/off ratio. De resultaten staan weer-

gegeven in figuur 6.

Figuur 6: De orde van grootte van de

on/off ratio’s van de verschillende types

geheugen.

Er is te zien dat elektrische switches va-

ker over een grotere on/off ratio beschikken.

Magnetische switches doen het duidelijk het

minst goed en optische switches komen meer

in de buurt van de elektrische. De waardering

is weergegeven in tabel 8.

B2 E M O

E 1 5 4M 1/5 1 1/3O 1/4 3 1



A3 Stabiele opslagmogelijkheid Bij

de elekrische switches hebben 7 van de 9 een

vaste opslagmogelijkheid. De magnetische

switches bevatten 5 vaste opslagmogelijkhe-

den, van de 6 met de juiste beschikbare infor-

matie hierover. Bij optisch waren dit er 4 van

de 11. Het is duidelijk dat optisch het minder

goed doet, terwijl magnetisme en elekriciteit

ongeveer gelijk zijn. De waardering is weer-

gegeven in tabel 9.

15

B3 E M O

E 1 1 7M 1 1 7O 1/7 1/7 1



A4 Stabiliteit molecuul In de artikelen

wordt voor het aangeven van de stabiliteit

niet dezelfde eenheid gebruikt. Elektrische

switches geven aan dat iets stabiel is voor een

hoeveelheid seconden, terwijl bij magnetisme

het systeem stabiel is tot een bepaalde tem-

peratuur. Om dit toch te kunnen vergelijken

is besloten de systemen te beoordelen op hun

stabiliteit bij kamertemperatuur. Als iets dus

alleen stabiel is bij een extreem lage tempe-

ratuur, is de stabiliteit 0 s. “Enkele” uren of

dagen is vertaald naar 2. Voor het vergelij-

ken van de verschillende tijden is een ANOVA

test uitgevoerd. Om deze uit te kunnen voe-

ren moet de data wel normaal verdeeld zijn.

Oorspronkelijk was dit niet het geval, de data

had een afwijking naar rechts, daarom is van

iedere waarde het logaritme uitgerekend. Om

te beoordelen of de data normaal verdeeld is

zijn QQplots uitgevoerd. De resultaten van

de QQplots staan in Appendix B. De hoeveel-

heid data was klein, dus aangezien de punten

in ieder figuur voldoende een rechte lijn volgen

kan worden aangenomen dat de data normaal

verdeeld is. De ANOVA test gaf geen echter

significant resultaat, p = 0.122. Er is immers

weinig data verzamelt, een significant resu-

laat behalen is daardoor lastig. Daarom zal

de beoordeling worden gedaan aan de hand

van boxplots van de logaritmische data, zie

figuur 7.

Figuur 7: Boxplots van de retentietijden (stabiliteit) van de moleculen uit de artikelen. De reten-

tiepunten zijn logaritmisch weergegeven met een grondgetal e.

16

Hieraan is te zien dat magnetisch iets min-

der scoorde dan elektrisch en optisch, ter-

wijl elektrisch en optisch ongeveer even goed

scoorden. Dit was echter niet statistisch aan

te tonen, dus er konden geen grote waardes

worden genoteerd. De waardering is weerge-

geven in tabel 10.

B4 E M O

E 1 3 1M 1/3 1 1/3O 1 3 1



A5 Robuustheid systeem De robuust-

heid van een systeem is aangegeven in het

aantal cycles dat het systeem kan doorlopen.

Om deze te vergelijken is weer een ANOVA

test uitgevoerd. De data is opnieuw omge-

zet door de logaritmische waardes te nemen.

De bijbehorende QQplots staan in Appen-

dix B. Aangezien er weinig data is zal hier-

mee genoegen moeten worden genomen. De

ANOVA test gaf echter geen significant resul-

taat (p = 0.376). De boxplots van de data

geven meer informatie, zie figuur 8.

De boxplots geven aan dat elektrisch en

optisch ongeveer gelijk scoren. Magnetisme

heeft echter maar 3 waarnemingen, dus hier-

over een conclusie trekken is niet zinvol.

Daarom krijgen de drie types bij deze eis de-

zelfde beoordeling en de tabel ziet eruit als bij

A1.

Figuur 8: Boxplots van de logaritmische hoeveelheden van het maximale aantal cycles van het

systeem bij de verschillende types geheugen

17

A6 Eenvoud switch Bij conductie zijn 9

van de 9 switches eenvoudig (op basis van ver-

andering spanning). Bij optisch is de verhou-

ding 7/11 en bij magnetisme is het moeilijker

te zeggen. Over het algemeen worden magne-

tische schakelingen net als elektrische aange-

stuurd door verandering in spanning, dus de

score van magnetisme en elekrisch is ongeveer

gelijk. De waardering is weergegeven in tabel

11.

B6 E M O

E 1 1 4M 1 1 4O 1/4 1/4 1



A7 Eenvoud synthese De artikelen be-

vatten niet voldoende informatie om iets te

kunnen zeggen over de eenvoud van de syn-

these van de moleculen. Daarom is voor deze

eis weer dezelfde tabel als in tabel 7 aangeno-

men.

A8 Switchtijd Systemen van een elek-

trisch moleculair geheugen hebben over het

algemeen snellere switchtijden. Veel data is

echter onbekend, dus er kan niet veel over

gezegd worden. Magnetisme en optische ge-

heugens krijgen daarom een gelijke score en

elektrisch een iets betere. De waardering is

weergegeven in tabel 12.

B8 E M O

E 1 3 3M 1/3 1 1O 1/3 1 1



A9 Leestijd Over de leestijd kan niet sig-

nificant wat gezegd worden, dus als bijbeho-

rende matrix is tabel 7 gebruikt.

B10 E M O

E 1 1/2 1/9M 2 1 1/8O 9 8 1



A10 Bijproducten/warmteontwikkeling

De verantwoording voor de waardes in deze

tabel is te vinden onder warmteontwikkeling

bij de resultaten. De waardering is weergege-

ven in tabel 13. De chemische bijproducten

van de methoden zijn niet meegenomen in

deze beoordeling, omdat deze niet af te lei-

den waren uit de artikelen.

A11 Homogeniteit inen uitvoer De

bestudeerde elektische systemen hebben alle-

maal een homogene inen uitvoer. Magneti-

sche systemen hebben daarentegen allemaal

geen homogene inen uitvoer en bij optische

systemen is de helft homogeen. Een homo-

gene inen uitvoer is wenselijk. De waarde-

ring is weergegeven in tabel 14.

B11 E M O

E 1 9 5M 1/9 1 1/5O 1/5 5 1



Alle tabellen B1 . . . B11 zijn getest op con-

sistentie volgens Saaty (1977). Door alle ta-

bellen werd aan beide eisen van de consisten-

tie voldaan. De eigenvectoren horende bij de

maximale eigenwaardes van de matrices uit de

tabellen zijn derhalve berekend en staan op de

juiste volgorde (b1 . . . b11) weergegeven in ta-

bel 15, die dus per eis de relatieve score van

elektriciteit/conductiviteit (eerste rij), mag-

netisme (tweede rij) en optisch (derde rij)

aangeeft:

18

1/3 0.67 7/15 3/7 1/3 4/9 1/3 3/5 1/3 0.07 0.74

1/3 0.10 7/15 1/7 1/3 4/9 1/3 1/5 1/3 0.12 0.06

1/3 0.32 1/15 3/7 1/3 1/9 1/3 1/5 1/3 0.80 0.21

Table 15: De eigenvectoren horende bij de maximale eigenwaardes van de matrices uit de

tabel

Door het inproduct te nemen van deze

martrix met tabel 5 komt men op de tabel

6.

4.2 Foutendiscussie

Een aantal dingen moeten in acht genomen

worden bij de conclusie van dit onderzoek. De

eisen in de eisenboom zijn opgesteld aan de

hand van wat de vereisten voor een compu-

tergeheugen, bijvoorbeeld een RAM, zouden

zijn. De resultaten zijn dan ook vooral hier-

bij van toepassing. Zo worden er bijvoorbeeld

aan militaire apparatuur andere eisen gesteld

of hebben de eisen een andere prioriteit (MIL

2008). Ook bestaan er bijvoorbeeld systemen

die erg traag zijn, maar door berekeningen

parallel te laten verlopen toch snel informa-

tie kunnen verwerken (Bandyopadhyay and

Acharya 2008). Moleculen met een moge-

lijkheid tot geheugenfunctie kunnen daarbij

ook worden gebruikt voor andere toepassin-

gen dan computergeheugen, bijvoorbeeld om

medicijnen efficienter te laten werken (Allen

and Cullis 2014) of als katalisator die aan-

en uitgezet kan worden (Wei et al. 2010). In

dit onderzoek is gestreefd alleen artikelen te

behandelen die zich richten op computerge-

heugen.

Ondanks dat er geprobeerd is zo neutraal

mogelijk artikelen te vinden, kan de gemaakte

keuze het resultaat beınvloed hebben. Om-

dat er voor MG op basis van conductiviteit

de meeste artikelen zijn gepubliceerd, zal een

artikel dat een weinig succesvol molecuul be-

handelt weinig geciteerd worden en daarom

niet gevonden worden en meegenomen in het

onderzoek. Voor magnetisme aan de andere

kant zijn nog zeer weinig artikelen gepubli-

ceerd. Hierdoor is er ten eerste nog weinig

onderzoek naar gedaan, waardoor het in een

eerdere fase is dan het onderzoek over con-

ductie, en zal ten tweede een artikel dat een

onsuccesvol molecuul behandelt sneller ge-

vonden en gebruikt worden voor dit onder-

zoek.

Er is in dit onderzoek ook geen rekening

gehouden met eventuele afhankelijkheid tus-

sen de eisen. Een molecuul dat switcht met

een reactie, zal hierom vaak in een oplossing

worden bewaard en minder stabiel zijn. Hier-

door kan een enkele eigenschap van het MG

op meerdere eisen doorwerken.

5 Conclusie

Aan tabel 6 is te zien dat MG op basis van

conductie het best aan de gestelde eisen vol-

doet, beter dan MG op basis van optisch en

magnetisme. Deze manier van MG is dus het

meest geschikt voor computergeheugen. Dit

klopt niet met de gestelde hypothese, waar

werd voorspeld dat optisch MG het beste zou

werken. Het is inderdaad zo dat optisch MG

veel minder warmteontwikkeling heeft dan

magnetisch en conductief MG, maar op an-

dere eisen scoort conductie over het algemeen

beter. Er wordt geadviseerd om het onder-

zoek vooral te richten op conductief MG. Zo

zal het snelst een werkend MG voor gebruik in

computers worden verkregen. Er moet echter

wel in acht worden genomen dat conductie de

meest onderzochte manier van MG is (zie fi-

guur 3) en dat het onderzoek daardoor in een

latere fase is dan onderzoek naar de andere

manieren van MG.

19

6 Dankwoord

Dit onderzoek zou er niet op deze manier zijn geweest zonder (in willekeurige volgorde):

Lieke Mulder, Ben Feringa, Joost Frenken, Edwin Steffens, Taco Walstra en Toto van Inge.

We willen iedereen graag bedanken voor de inspiratie, feedback en antwoorden op onze vragen.

20

Referenties

(2008). Mil-std-810g. US Departement of Defence.

Akamatsu, M., Mori, T., Okamoto, K., Sakai, H., Abe, M., Hill, J. P., and Ariga, K. (2014).

Multicolour fluorescent memory based on the interaction of hydroxy terphenyls with fluoride

anions. Chemistry-A European Journal, 20(49):16293–16300.

Allen, T. M. and Cullis, P. R. (2014). Drug delivery systems: Entering the mainstream.

Science, 303:1818–1822.

Andreasson, J., Pischel, U., Straight, S. D., Moore, T. A., Moore, A. L., and Gust, D. (2011).

All-photonic multifunctional molecular logic device. J. Am. Chem. Soc.

Avellini, T., Li, H., Coskun, A., Barin, G., Trabolsi, A., Basuray, A. N., Dey, S. K., Credi, A.,

Silvi, S., Stoddart, J. F., et al. (2012). Photoinduced memory effect in a redox controllable

bistable mechanical molecular switch. Angewandte Chemie, 124(7):1643–1647.

Bandyopadhyay, A. and Acharya, S. (2008). A 16-bit parallel processing in a molecular

assembly. PNAS, 105:3668–3672.

Bhunia, P., Hwang, E., Min, M., Lee, J., Seo, S., Some, S., and Lee, H. (2012). A non-volatile

memory device consisting of graphene oxide covalently functionalized with ionic liquid.

Chemical Communications, 48(6):913–915.

Burkhardt, M., Jedaa, A., Novak, M., Ebel, A., Voıtchovsky, K., Stellacci, F., Hirsch, A.,

and Halik, M. (2010). Concept of a molecular charge storage dielectric layer for organic

thin-film memory transistors. Advanced materials.

Burova, T. V., Grinberg, N. V., Kalinina, E. V., Ivanov, R. V., Lozinsky, V. I., Alvarez-

Lorenzo, C., and Grinberg, V. Y. (2010). Thermoresponsive copolymer cryogel possessing

molecular memory: Synthesis, energetics of collapse and interaction with ligands. Macro-

molecular Chemistry and Physics.

Bustard, P. J., Lausten, R., England, D. G., and Sussman, B. J. (2013). An ultrafast molecular

memory for light. APS Physics.

Choi, S. H., Kim, B., and Frisbie, C. D. (2008). Electrical resistance of long conjugated

molecular wires. Science.

de Ruiter, G., Motiei, L., Choudhury, J., Oded, N., and van der Boom, M. E. (2010a).

Electrically addressable multistate volatile memory with flip-flop and flip-flap-flop logic

circuits on a solid support. Angewandte Chemie, 122(28):4890–4893.

de Ruiter, G., Tartakovsky, E., Oded, N., and van der Boom, M. E. (2010b). Sequential

logic operations with surface-confined polypyridyl complexes displaying molecular random

access memory features. Angewandte Chemie, 122(1):173–176.

de Ruiter, G. and van der Boom, M. E. (2011). Sequential logic and random access memory

(ram): a molecular approach. Journal of Materials Chemistry, 21(44):17549–18096.

21

Feng, X., Mathoniere, C., Jeon, I.-R., Rouzieres, M., Ozarowski, A., Aubrey, M. L., Gonzalez,

M. I., Clerac, R., and Long, J. R. (2013). Tristability in a light-actuated single-molecule

magnet. Journal of the American Chemical Society, 135(42):15880–15884.

Feringa, B. L. (2014). Interview over de eisen aan een moleculair geheugen. Personal Com-

munication.

Feringa, B. L., Jager, W. F., and de Lange, B. (1993). Organic materials for reversible optical

data storage. Tetrahedon, 49(37):8267–8310.

Frenken, J. (2014). Interiew over het de frontlijn van moleculair geheugen. Personal Commu-

nication.

Fukaminato, T., Doi, T., Tamaoki, N., Okuno, K., Ishibashi, Y., Miyasaka, H., and Irie, M.

(2011). Single-molecule fluorescence photoswitching of a diarylethene- perylenebisimide

dyad: Non-destructive fluorescence readout. Journal of the American Chemical Society,

133(13):4984–4990.

Kano, S., Yamada, Y., Tanaka, K., and Majima, Y. (2012). Room-temperature single mole-

cular memory. Applied Physics Letters, 100(5):053101.

Karnbratt, J., Hammarson, M., Li, S., Anderson, H. L., Albinsson, B., and Andreasson, J.

(2010). Photochromic supramolecular memory with nondestructive readout. Angewandte

Chemie, 122(10):1898–1901.

Kawamoto, M., Shiga, N., Takaishi, K., Sassa, T., Yamashita, T., and Ito, Y. (2013). Light-

driven supramolecular chiral materials: photoinduced control of liquid-crystalline helical

structures and non-destructive erasable molecular memory for photonic applications. Proc.

SPIE.

Kawamoto, M., Shiga, N., Takaishi, K., and Yamashita, T. (2010). Non-destructive erasable

molecular switches and memory using light-driven twisting motions. Chemical Communi-

cations, 46(44):8344–8346.

Lee, J., Lee, E., Kim, S., Bang, G. S., Shultz, D. A., Schmidt, R. D., Forbes, M. D., and Lee,

H. (2011). Nitronyl nitroxide radicals as organic memory elements with both n-and p-type

properties. Angewandte Chemie International Edition, 50(19):4414–4418.

Lee, T., Kim, S.-U., Min, J., and Choi, J.-W. (2010). Multilevel biomemory device consisting

of recombinant azurin/cytochrome c. Advanced Materials, 22(4):510–514.

Li, Q., Zhu, H., Hacker, C. A., Pookpanratana, S. J., Ioannou, D., and Richter, C. A. (2013).

High-performance molecular flash memory with redox-active molecules qiliang li1, hao zhu1,

2, christina a. hacker2, sujitra j. pookpanratana2, de ioannou1 and curt a. richter2.

Liu, C.-L. and Chen, W.-C. (2011). Donor–acceptor polymers for advanced memory device

applications. Polym. Chem.

Liu, T., Zheng, H., Kang, S., Shiota, Y., Hayami, S., Mito, M., Sato, O., Yoshizawa, K.,

Kanegawa, S., and Duan, C. (2013). A light-induced spin crossover actuated single-chain

magnet. Nature communications, 4.

22

MacVittie, K., Halamek, J., and Katz, E. (2012). Enzyme-based d-flip-flop memory system.

Chemical Communications, 48(96):11742–11744.

Mannini, M., Pineider, F., Sainctavit, P., Danieli, C., Otero, E., Sciancalepore, C., Talarico,

A. M., Arrio, M.-A., Cornia, A., Gatteschi, D., et al. (2009). Magnetic memory of a

single-molecule quantum magnet wired to a gold surface. Nature materials, 8(3):194–197.

McCreery, R. L., Dasa, B., Pillaia, R., Pekasa, N., and James, D. B. (2014). Redox-gated

molecular memory devices based on dynamic doping of polythiophene. ESC Meeting Ab-

stract.

Medalsy, I., Klein, M., Heyman, A., Shoseyov, O., Remacle, F., Levine, R. D., and Porath,

D. (2010). Logic implementations using a single nanoparticle–protein hybrid. Nature Tech-

nology.

Meena, J. S., Sze, S. M., Chand, U., and Tseng, T.-Y. (2014). Overview of emerging nonvo-

latile memory technologies. Nanoscale research letters, 9(1):1–33.

Miao, S., Li, H., Xu, Q., Li, Y., Ji, S., Li, N., Wang, L., Zheng, J., and Lu, J. (2012).

Tailoring of molecular planarity to reduce charge injection barrier for high-performance

small-molecule-based ternary memory device with low threshold voltage. Advanced Mate-

rials, 24(46):6210–6215.

Min, M., Seo, S., Lee, S. M., and Lee, H. (2013). Voltage-controlled nonvolatile molecular

memory of an azobenzene monolayer through solution-processed reduced graphene oxide

contacts. Advanced Materials, 25(48):7045–7050.

Miyamachi, T., Gruber, M., Davesne, V., Bowen, M., Boukari, S., Joly, L., Scheurer, F., Ro-

gez, G., Yamada, T. K., Ohresser, P., et al. (2012). Robust spin crossover and memristance

across a single molecule. Nature communications, 3:938.

Mizuno, Y., Aida, T., and Yamaguchi, K. (2000). Chirality-memory molecule: Crystallograp-

hic and spectroscopic studies on dynamic molecular recognition events by fully substituted

chiral porphyrins. J. Am. Chem. Soc.

NASA (2008). Nonvolatile molecular memory. Ames Research Center.

Pan, J. B., Zhang, Z. H., Ding, K. H., Deng, X. Q., and Guo, C. (2011). Current rectification

induced by asymmetrical electrode materials in a molecular device. Applied Physics Letters.

Pariani, G., Castagna, R., Dassa, G., Hermes, S., Vailati, C., Bianco, A., and Bertarelli, C.

(2011). Diarylethene-based photochromic polyurethanes for multistate optical memories.

Journal of Materials Chemistry, 21(35):13223–13231.

Paul, N. D., Rana, U., Goswami, S., Mondal, T. K., and Goswami, S. (2012). Azo anion

radical complex of rhodium as a molecular memory switching device: Isolation, characteri-

zation, and evaluation of current–voltage characteristics. Journal of the American Chemical

Society, 134(15):6520–6523.

Pischel, U. and Andreasson, J. (2010). A simplicity-guided approach toward molecular set–

reset memories. New Journal of Chemistry, 34(12):2701–2703.

23

Prins, F., Monrabal-Capilla, M., Osorio, E. A., Coronado, E., and van der Zant, H. S. (2011).

Room-temperature electrical addressing of a bistable spin-crossover molecular system. Ad-

vanced Materials, 23(13):1545–1549.

Raman, K. V., Kamerbeek, A. M., Mukherjee, A., Atodiresei, N., Sen, T. K., Lazic, P., Caciuc,

V., Michel, R., Stalke, D., Mandal, S. K., et al. (2013). Interface-engineered templates for

molecular spin memory devices. Nature, 493(7433):509–513.

Ren, W., Zhu, Y., Ge, J., Xu, X., Sun, R., Li, N., Li, H., Xu, Q., Zheng, J., and Lu, J.

(2013). Bistable memory devices with lower threshold voltage by extending the molecular

alkyl-chain length. Phys. Chem. Chem. Phys.

Saaty, T. L. (1977). A scaling method for priorities in hierarchical structures. Journal of

Mathematical Psychology, 15(3):234–281.

Saaty, T. L. (1978). Exploring the interface between hierarchies, multiple objectives and fuzzy

sets. Fuzzy sets and systems, 1(1):57–68.

Shipway, A. N., Katz, E., and Willner, I. (2001). Molecular memory and processing devices

in solution and on surfaces. In Molecular Machines and Motors, pages 237–281. Springer.

Simao, C., Mas-Torrent, M., Crivillers, N., Lloveras, V., Artes, J. M., Gorostiza, P., Veciana,

J., and Rovira, C. (2011). A robust molecular platform for non-volatile memory devices

with optical and magnetic responses. Nature chemistry, 3(5):359–364.

Steffens, E., Walstra, T., and van Inge, A. (2014). Interiew over computergeheugen en rond-

leiding in het computermuseum. Personal Communication.

’t Hooft, G. (2011). On the mathematical architecture of a large fractal molecular ram memory

unit. Institute for theoretical physics and Spinoza institute, Utrecht.

Tian, G., Wu, D., Qi, S., Wu, Z., and Wang, X. (2011). Dynamic random access memory

effect and memory device derived from a functional polyimide containing electron donor-

acceptorpairs in the main chain. Macromolecular rapid communications.

Wan, H., Zhou, B., Chen, X., Sun, C. Q., and Zhou, G. (2012). Switching, dual spin-filtering

effects, and negative differential resistance in a carbon-based molecular device. The Journal

of Physical Chemistry C, 116(3):2570–2574.

Wei, Y., Han, S., Kim, J., Soh, S., and Grzybowski, B. A. (2010). Photoswitchable catalysis

mediated by dynamic aggregation of nanoparticles. J. Am. Chem. Soc., 132:11018–11020.

Zhang, W., DeIonno, E., Dichtel, W. R., Fang, L., Trabolsi, A., Olsen, J.-C., Benıtez, D., He-

ath, J. R., and Stoddart, J. F. (2011). A solid-state switch containing an electrochemically

switchable bistable poly [n] rotaxane. Journal of Materials Chemistry, 21(5):1487–1495.

24

A Beoordelingsmatrix Saaty

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11

A1 1 1 5 5 5 9 9 9 9 9 9A2 1 1 5 5 5 9 9 9 9 9 9A3 1/5 1/5 1 1 1 7 7 7 7 7 7A4 1/5 1/5 1 1 1 7 7 7 7 7 7A5 1/5 1/5 1 1 1 7 7 7 7 7 7A6 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1A7 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1A8 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1A9 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1A10 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1A11 1/9 1/9 1/7 1/7 1/7 1 1 1 1 1 1

Tabel 15: Verhoudingen van de waarden van de eisen

A1 : Mogelijkheid te switchen tussen twee toestanden

A2 : Genoeg verschil tussen de toestanden

A3 : Stabiele opslagmogelijkheid

A4 : Stabiel molecuul

A5 : Robuust systeem

A6 : Eenvoudige switch

A7 : Eenvoudige synthese

A8 : Snelle switchtijd

A9 : Snelle leestijd

A10 : Warmteontwikkeling

A11 : Homogeniteit inen uitvoer

25

B QQPlots data artikelen

Figuur 9: QQplot van de logaritmische data van de stabiliteit van de moleculen bij een elektrische

switch.

Figuur 10: QQplot van de logaritmische data van de stabiliteit van de moleculen bij een magne-

tische switch.

26

Figuur 11: QQplot van de logaritmische data van de stabiliteit van de moleculen bij een optische

switch.

Figuur 12: QQplot van de logaritmische data van de robuustheud van het systeem bij een elektri-

sche switch.

27

Figuur 13: QQplot van de logaritmische data van de robuustheid van het systeem bij een magne-

tische switch.

Figuur 14: QQplot van de logaritmische data van de robuustheud van het systeem bij een optische

switch.

28

C Beoordeling artikelen

29

Tab

el16:

Art

ikel

enel

ektr

isch

esw

itch

Aute

ur

swit

ch?

vers

chil

state

nst

abie

leopsl

ag

stab.

mole

cuul

robuust

heid

eenv.

swit

ch?

eenv.

syn-

these

?

swit

chti

jdafleesm

eth

ode

warm

teontw

.hom

ogenit

eit

Paul

et

al.

(2012)

ja-5

V5V

on/off

=

103

Inch

loro

-

form

oplo

ssin

g

1000

+s

102

cycle

svolt

age

vera

nde-

ren

90%

yie

ld3

sele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Lee

et

al.

(2011)

ja-3

V3V

on/off

=

103

vast

est

of

700

s5·1

0cycle

svolt

age

vera

nde-

ren

nee

25

sele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Kano

et

al.

(2012)

ja-2

.52.5

on/off

=

2.9

vast

est

of

onb

ekend

onb

ekend

volt

age

vera

nde-

ren

nee

25

ms

ele

ktr

icit

eit

-ja

Li

et

al.

(2013)

jaonb

ekend

vast

est

of

10·1

07s

109

cycle

svolt

age

redelijk

10−

8s−

1s

ele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Bhunia

et

al.

(2012)

ja-1

.70.5

Von/off

=102

Ionic

liquid

10.0

00

103

cycle

svolt

age

Nee,

meer

dan

28

uur

werk

2s

ele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Min

et

al.

(2013)

ja-3

V3V

on/off

=

20

vast

,gra

feen

10.0

00

s4·1

02

cycle

svolt

age

66%

yie

ld2-3

sele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Mia

o

et

al.

(2012)

ja,

WO

RM

on/off

=102

vast

est

of

36000s

108

cycle

svolt

age

onb

ekend

1m

sele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Lee

et

al.

(2010)

ja0.2

94

/0.1

04

V

on/off

=?

inoplo

ssin

g6000

s2·1

03

cycle

sre

dox,

volt

age

Cyto

chro

om

C,

uit

die

rlij

k

mate

riaal

200

ms

ele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

Zhang

et

al.

(2011)

jaon/off

=7

vast

est

of

onb

ekend

20

cycle

sre

dox,

volt

age

85%

yie

ld4

sele

ktr

icit

eit

onb

ekend

ja

30

Tab

el17:

Art

ikel

enm

agn

etis

che

swit

chA

ute

ur

swit

ch?

vers

chil

state

nst

abie

leopsl

ag

stab.

mole

cuul

robuust

heid

eenv.

swit

ch?

eenv.

syn-

these

?

swit

chti

jdafleesm

eth

ode

warm

teontw

.hom

ogenit

eit

(Wan

et

al.

2012)

jaO

n/off

=400

Info

rmati

e

word

tnie

t

opgesl

agen

Sta

bie

lto

tm

ag-

neetv

eld

wegvalt

zeer

robuust

magneti

sch

veld

redelijk

afh

ankelijk

van

snelh

eid

magnete

n

ele

ktr

icit

eit

warm

tenee

Ram

an

et

al.

(2013)

jaO

n/off

=1.2

2vast

est

of

Nie

terg

stabie

l

vanw

ege

kw

an-

tum

eff

ecte

n,

tem

ponder

250K

onb

ekend

magneti

sch

veld

onb

ekend

Afh

ankelijk

van

snelh

eid

magnete

n

weers

tand

onb

ekend

nee

Pri

ns

et

al.

(2011)

jaO

n/off

=100

vast

est

of

stabie

lto

t

stro

om

uit

Min

stens

10

cycle

s20

magneti

sch

veld

onb

ekend

Nee,

swit

ch

met

tem

pe-

ratu

ur

ele

ktr

isch

warm

tenee

Sim

ao

et

al.

(2011)

jaO

n/off

=onein

-

dig

(quantu

m)

jam

eerd

ere

ure

n

7000s

2·1

02

+cy-

cle

s300

volg

ate

onb

ekend

1-1

0s

opti

sch

nee

nee

Mannin

i

et

al.

(2009)

jazeer

wein

igver-

schil

vast

op

goud

220

sonb

ekend

Nee,

langzaam

vera

ndere

n

magneti

sch

veld

onb

ekend

onb

ekend

Rontg

enst

ralingonb

ekend

nee

Miy

am

ach

i

et

al.

(2012)

jaO

n/off

=1

vast

op

kop

er

Tie

nta

llen

ure

n

stabie

l70000

s

Enkele

cy-

cle

s,geen

afb

raak

ge-

const

ate

erd

magneti

sch

veld

onb

ekend

1.4

sele

ktr

isch

onb

ekend

nee

Feng

et

al.

(2013)

jaO

n/off

=4.6

Sto

fkri

stalli-

seert

heel

dic

ht

(info

rmati

e

onb

ere

ikbaar)

On-s

tate

stabie

l

tot

10

K0s

10+

cycle

s

20

Magneti

sch

veld

+ir

radia

tie

505/850nm

Zeer

las-

tig

door

optr

eden

ongew

enst

e

kri

stallis

a-

tie

8uur

magneti

sch

onb

ekend

nee

Liu

et

al.

(2013)

jaA

lleen

min

imaal

vers

chil

onder

de

5K

onb

ekend

Sta

bie

lto

t62K

0s

onb

ekend

irra

dia

tie

473/532nm

onb

ekend

onb

ekend

magneti

sch

onb

ekend

nee

31

Tab

el18:

Art

ikel

enop

tisc

he

swit

chA

ute

ur

swit

ch?

vers

chil

state

nst

abie

leopsl

ag

stab.

mole

cuul

robuust

heid

eenv.

swit

ch?

eenv.

syn-

these

?

swit

chti

jdafleesm

eth

ode

warm

teontw

.hom

ogenit

eit

(de

Rui-

ter

et

al.

2010b)

jagaat

met

pH

On/off

=?

inoplo

ssin

g—

10

min

ute

n

rete

nti

eti

jd=

600s

¿10

cycle

spH

,nie

terg

een-

voudig

nee

reacti

elich

tonb

ekend

nee

MacV

itti

e

et

al.

(2012)

jadoor

reacti

e

On/off

=b

ete

r

inoplo

ssin

gonb

ekend

onb

ekend

reacti

em

et

NA

D+

Enzym

,uit

die

rlij

km

a-

teri

aal

reacti

elich

tw

aars

chij

nlijk

wel

nee

Sim

ao

et

al.

(2011)

ja-0

.3en

0.3

V

On/off

=100

vast

est

of

rete

nti

eti

jdvan

ure

n7000

s

102

cycle

sre

dox,

volt

age

80%

yie

ld10

slich

tonb

ekend

nee

Avellin

i

et

al.

(2012)

Nie

t

alles

word

t

ge-

swit

cht

met

lich

ten

stro

om

On/off

=30

vast

est

of

30

h,

maar

wel

inhet

donker

100000

s

onb

ekend

Nee,

inm

eer-

dere

stapp

en,

door

redoxre

ac-

tie

en

lich

t

35%

yie

ld,

dan

41%

de

era

seti

jd

is3h

+

lich

tw

aars

chij

nlijk

wel

nee

Pis

chel

and

Andre

ass

on

(2010)

jaW

el

en

geen

ab-

sorp

tie

bij

536

m,

On/off

=on-

ein

dig

vast

est

of

maanden

10000000

s?

105

cycle

sm

et

lich

tnee

40

sen

10

min

lich

tonb

ekend

ja

Akam

ats

u

et

al.

(2014)

jaD

oor

reacti

e

met

wate

r,ver-

dam

pin

gO

n/off

=5

inoplo

ssin

gto

thet

wate

r

verd

am

pt

is

Afe

wcy-

cle

s,kans

op

meer

10

Pro

toneri

ng,

vera

ndere

n

pola

rite

itoplo

s-

mid

del,

nee

onb

ekend

zeer

lang-

zaam

lich

tgro

tekans

op

nee

Karn

bra

tt

et

al.

(2010)

jaO

n/off

=150

inoplo

ssin

gonb

ekend

Geen

ge-

mete

n

degra

dati

e

na

10

cycle

s

1000

door

rings-

luit

ing,

met

lich

t

nee

6m

inen

45

s

lich

tonb

ekend

ja

Fukam

inato

et

al.

(2011)

jasw

itch

met

lich

t

On/off

=50

inoplo

ssin

g30.0

00

sSevera

l

tim

es

10

Door

rings-

luit

ing,

met

lich

t

nee

30

slich

tonb

ekend

ja

Kaw

am

oto

et

al.

(2010)

jaonb

ekend

inoplo

ssin

g26

dagen

2000000

s

1000

cycle

scis

-tra

ns

nee

600

slich

tonb

ekend

ja

Pari

ani

et

al.

(2011)

jaO

n/off

=2

inoplo

ssin

g600

sonb

ekend

Door

rings-

luit

ing,

met

lich

t

nee

onb

ekend

lich

tonb

ekend

ja

de

Rui-

ter

et

al.

(2010a)

jaonb

ekend

vast

est

of

150

s103

cycle

sre

dox,

met

vol-

tage

nee,

gro

ot

mole

cuul

180

ms

lich

tonb

ekend

ja

32

Documents

Thema_III