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Das AND-Gate (dt. Und-Gatter) repräsentiert eine logische Schaltung bei dem der Ausgang genau dann ein Signal (1) liefert, wenn alle Eingangssignale den Wert 1 haben. Es entspricht dem Logischen UND. In der Schaltalgebra wird die UND-Verknüpfung u.a. durch & oder ∧ dargestellt.

Nach der abgebildeten Wahrheitswerttafeln (unten links) kann nur eine Signalkombination zu einer "wahren" Antwort führen. Das AND-Gate ist demnach eindeutig. Die beiden Signaleingänge lassen sich miteinander tauschen, ohne dass dies Einfluss auf das Ausgangssignal hätte. Das AND-Gate lässt sich auf unterschiedliche Weise in der Chemie bzw. der Molekularen Logik umsetzen.

Ein OR-Gate (dt. Oder-Gatter) ist ein Gatter, bei dem der Ausgang genau dann eine 1 liefert, wenn an mindestens einem Eingang ein Signal (1) kommt. Es entspricht dem logischen ODER. In der Schaltalgebra wird die Oder-Verknüpfung durch + oder or dargestellt.

Im Vergleich zum AND-Gate wird nur dann kein Ausgangssignal wahrgenommen, wenn kein einziges Eingangssignal vorhanden ist (alle Inputs haben den Wert 0). Bei dieser Schaltkombination ist nur die Variante "kein Signal" (0) eindeutig. Die Eingangssignale lassen sich auch bei dieser Schaltung beliebig tauschen.

Das XOR-Gate (dt. XOR-Gatter, "entweder oder") ist eine Schaltung, bei der das Ausgangssignal genau dann "wahr" bzw. "1" ist, wenn entweder das erste oder das zweite Eingangssignal den Wert "1" haben. Allgemein muss eine ungerade Anzahl von Eingängen "1" betragen, damit ein Ausgangssignal wahrgenommen wird. Die XOR-Verknüpfung wird auch als Anti- oder Kontravalenz bezeichnet.

Im Gegensatz zur OR- und AND-Verschaltung gibt die Kombination aller Eingangssignale (alle Inputs sind 1) kein positives Ausgangssignal. Beim XOR-Gate ist das Ergebnis also "falsch" bzw. "0". Es können mehrere Kombinationen zu einem positiven Siganl (1) bzw. zu einem negativen Signal (0) führen.

Das YES- und NOT-Gate (dt. Ja-Gatter bzw. Nicht-Gatter) sind die einfachsten möglichen Schaltungen. Sie bestehen aus einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal und bilden einen Gegensatz.

Das YES-Gate ergibt nur dann ein wahres Ausgangssignal, wenn das Eigangssignal den Wert "1" besitzt. Im Gegensatz dazu ist bei einer NOT-Schaltung nur dann am Ausgang eine "1" zu messen, wenn das Eingangssignal 0 ist. Sie liefert also die Negation des Eingangssignals.

Das INHIBIT-Gate (dt. INHIBITION, "wenn nicht") ist eine Schaltung, bei der die beiden Eingangssignale unterschiedliche Funktionen haben. Bei einem der beiden Eingangssignale handelt es sich um ein invertiertes Signal, einen sogenannten "Inhibitor", d.h. so lange dieses Signal aktiv ist ("1"), kann das Ausgangssignal nicht den Wert "1" einnehmen, selbst wenn das zweite Eingangssignal aktiv ist. Im Gegensatz zu vielen anderen logischen Verknüpfungen können die Eingangssignale eines INHIBIT-Gatters nicht vertauscht werden.

Falls das zweite Eingangssignal den Wert "1" annimmt, ohne dass das erste Eingangssignal aktiv ist, ist das Ausgangssignal "wahr". Es kann also nur dann eine "1" ausgelesen werden, wenn das "Hemm"-Signal den Status "falsch" und das zweite Eingangssignal den Status "wahr" haben. Die Inhibit-Verknüpfung wird daher auch als AND-Verknüpfung mit invertiertem Eingang bezeichnet.

Ein NAND-Gatter (von englisch: not and - nicht und) ist eine Schaltungskombination, die der logischen NICHT UND-Verknüpfung entspricht. Das NAND-Gatter ergibt als Ausgangssignal genau dann den Wert "0", wenn alle Eingangssignale den Wert "1" haben. In allen anderen Fällen, d. h., wenn mindestens ein Signal 0 ist, wird der Wert "1" ausgegeben.

Das NAND-Gatter zeichnet sich dadurch aus, dass man mit seiner Hilfe alle anderen logischen Schaltungen darstellen kann. Aus diesem Grunde gehören NAND-Gatter zu den wichtigsten Bausteinen für komplexe Schaltsysteme.

Ein NOR-Gatter (von englisch: not or - nicht oder) entspricht der logische Verknüpfung NICHT ODER. D.h. ein NOR-Gatter gibt als Ausgangssignal nur dann den Wert "1" aus, wenn alle Eingangssignale "0" sind. In allen anderen Fällen, d.h. falls ein Signal 1 ist, wird kein Ausgangssignal (0) weitergegeben.

Wie das Reaktionsschema des molekularen Schalters Spiropyran zeigt (s. unten), sind alle Reaktionwege reversibel in beide Richtungen steuerbar. Daraus ergibt sich die Möglichkeit unterschiedliche Logische Verknüpfungen zu generieren, je nachdem wie die Bedingungen und erwarteten Signale definiert werden.

In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des AND-Gatters:

Ein AND-Gatter lässt sich konstruieren, indem man UV-Lichtbestrahlung (Input 1) und Protonenzugabe (Input 2) als Eingangsignale definiert (vgl. Abbildung rechts). Das erwartete Ausgangssignal (Output) entspricht der Absorption der protonierten Merocyanin-Spezies (gelblich). Weder alleiniges Ansäuern der Lösung (0/1|0), noch UV-Licht (1/0|0) führen zum gewünschten Ergebnis. Nur wenn beide Faktoren vorhanden sind (1/1|1), kann das erwartete Signal erkannt bzw. gemessen werden.

In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des INHIBIT-Gatters mit dem Molekularen Schalter Spiropyran:

Die Umsetzung eines INHIBIT-Gatters mit Spiropyran/Merocyanin gelingt beispielsweise, indem das Fluoreszenzverhalten bzw. die Fluoreszenzemission (λ = 615 nm, Output) einer angesäuerten Merocyanin-Lösung bei Bestrahlung mit UV-Licht (λ = 365 nm, Input 1) und/oder blauem Licht (λ = 450 nm, Input 2) verfolgt wird.

Durch die Bestrahlung der Probe mit UV-Licht (λ = 365 nm) wird Merocyanin in protonierter Form (MEH⁺) erzeugt. Die Probe fluoresziert orangefarben (1/0|1), solange das erste Eingangssignal aktiv ist (vgl. Abbildung oben). Bei Aktivierung des zweiten Eingangssignals kommt es zur Reisomerisierung von Merocyanin (MEH⁺) zu Spiropyran, die Probe fluoresziert nicht (0/1|0). Die simultane Bestrahlung der Probe mit UV- und blauem Licht führt zu einem photostationären Gleichgewicht, das aufgrund der stärkeren Leistung der blauen Lichtquelle (Input 2) fast vollständig auf der Seite von Spiropyran liegt (1/1|0). Es kann keine Fluoreszenzemission wahrgenommen werden.

In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des OR-Gatters mit dem Molekularen Schalter Spiropyran:

Zur Umsetzung des Gatters wird eine Spiropyran-Lösung in Ethylenglykol verwendet. Eingangssignale sind die Zugabe von Säure (Input 1) und die Zugabe von Base (Input 2). Als Ausgangssignal wird die Fluoreszenzemission bei λ = 633 nm (Output) bei Bestrahlung mit UV-Licht (λ = 365 nm) gemessen bzw. beobachtet. In Ethylenglykol fluoresziert die thermisch stabilere Merocyanin-Form nur kurzzeitig, so dass im Ausgangszustand kaum eine Fluoreszenz zu sehen bzw. zu messen sein sollte (0/0|1). Durch die Zugabe von Säure kann die protonierte Merocyanin-Form MEH⁺ gebildet werden. In protonierter Form ist Merocyanin (MEH⁺) in der Lage auch bei längerer Bestrahlung mit UV-Licht (λ = 365 nm) zu fluoreszieren (1/0|1). Die Zugabe von aminischer Base führt dagegen zu einer rötlichen Fluoreszenzemission (0/1|1). Die Konzentration der Säre und Base sind so gewählt, dass bei Aktivierung beider Inputs (äquimolare Zugabe) ebenfalls eine rötliche Fluoreszenzemission beobachtet werden kann (1/1|1).

In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des XOR-Gatters mit dem Molekularen Schalter Spiropyran:

Zur Umsetzung des XOR-Gates ist es wichtig, dass als Lösemittel Ethanol gewählt wird und die Probe eine Temperatur von ca. 60 °C besitzt. Als Eingangssignal dient zum einen UV-Licht (λ = 365 nm, Input 1), zum anderen die Zugabe von Protonen in Form einer beliebigen Säure (Input 2). Das Ausgangssignal entspricht dem Emissionsmaximum der beiden Merocyanin-Formen ME/MEH⁺ bei etwa λ = 638 nm (Output). Die Verknüpfung ist so aufgebaut, dass eine unbestrahlte Probe keine Fluoreszenz zeigt (0/0|0). Durch die Bestrahlung der Probe mit UV-Licht (λ = 365 nm) wird photochemisch fluoreszenzfäiges Merocyanin (ME) erzeugt (1/0|1). Bei Zugabe von Säure zu einer unbestrahlten Probe kommt es bei dieser Temperatur zu einer raschen protoneninduzierten Ringöffnungsreaktion von Spiropyran zu Merocyanin (MEH⁺). Die protonierte Merocyanin-Form (MEH⁺) emittiert ebenfalls Strahlung im beobachteten Wellenlängenbereich (0/1|1). Bei der Aktivierung beider Inputs sinkt das dagegen Emissionsvermögen so rapide, dass keine Fluoreszenz mehr zu beobachten ist (Abbildung rechts) (1/1|0). Dieses Phänomen tritt lediglich in Ethanol auf. Folglich kann in Ethanol lediglich bei Bestrahlung der neutralen Lösung (1/0|1) oder bei Protonierung (0/1|1) eine ausreichend stark fluoreszierende Probe entstehen.

In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des NOR-Gatters mit dem Molekularen Schalter Spiropyran:

Mit einer sauren Merocyanin-Lösung in Toluol kann eine Schaltung nach dem NOR-Prinzip dargestellt werden. Als Input werden zum einen blaues Licht (λ = 450 nm, Input 1) und zum eine Base (NR₃, Input 2) genutzt. Als Output fungiert die bei Bestrahlung mit UV-Licht (λ = 365 nm) im Dunklen auftretende Fluoreszenzemission der Merocyanin-Form MEH⁺ bei λ = 610 nm. Die Zugabe von Base zur Probe führt zur vollständigen Deprotonierung von Merocyanin (0/1|0). Die freie Merocyanin-Form (ME) zeigt im Gegensatz zur protonierten Form (MEH⁺) quasi keine Fluoreszenz in Toluol. Die Bestrahlung der Probe löst dagegen die Isomerisierung der Merocyanin-Form in die nicht fluoreszente Spiropyran-Form aus (1/0|0). Die simultane Aktivierung beider Inputs führt zum gleichen Ergebnis (1/1|0).

Neben unimolekularen Verkn¨pfungen bieten sich auch bimolekulare Systeme mit Spiropyran/Mercoyanin an. In diesem Kapitel geht es um eine Anwendung des NAND-Gatters mit Spiropyran und Fluorescein:

Zur Umsetzung eines NAND-Gatters wird eine Fluorescein-Lösung als Stammlösung verwendet. Die Zugabe von Spiropyran-Lösung stellt das erste Eingangssignal dar (Input 1). Als zweites Eingangssignal wird Licht der Wellenlänge λ = 365 nm (Input 2) verwendet. Bei dem zu beobachtenden Ausgangssignal handelt es sich um die Fluoreszenzemission von Fluorescein im Wellenlängenbereich λ = 505 nm (Output). Zur Fluoreszenzanregung wird Licht der Wellenlänge λ = 440 nm verwendet. Die Lösung fluoresziert bereits, ohne dass ein Input aktiv ist (0/0|1). Weder die alleinige Zugabe von Spiropyran (1/0|1), noch die alleinige Bestrahlung mit UV-Licht (0/1|1) können das Emissionsverhalten von Fluorescein beeinträchtigen. Wenn jedoch beide Eingangssignale aktiv sind, kommt es zur Isomerisierung von Spiropyran zu Merocyanin. Die Merocyanin-Form ist in der Lage Fluorescein an der Desaktivierung unter Emission von Strahlung zu hindern (FRET), so dass kein Emissionssignal mehr detektiert werden kann (1/1|0).