Beginners Guide to TikTok for Search - Rachel Pearson - We are Tilt __ Bright...
Thema_III
1. Een blik op de frontlijn van moleculair geheugen
J. J. Beekman, M. Gijzen en J. Hasenack
16 januari 2015
Tutor: Lieke Mulder
Vak: Thema III deel 2
Disciplines respectievelijk: Natuurkunde, Wiskunde, Scheikunde
Woorden: ±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
3. 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 ´e´en 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 effici¨ent 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
4. 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 ´e´en op basis van absorptie (oftewel kleur).
Absorptie betekent dat het molecuul fotonen
van een bepaalde golflengte opneemt,
4
5. Toestandsverschil Uitleesmethode Schrijfmethode
Optisch Meting van de absorbtie
en emissie
Licht of elektrische stroom
Conductiviteit Meting van de weestand Elektrische stroom
Magnetisme 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 ´e´en 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
6. 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 ´e´en 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 hi¨erarchische struc-
tuur is nodig bij het maken van beslissingen,
waarbij de criteria van verschillend belang
zijn. Een hi¨erarchische 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
7. 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
8. 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 hi¨erarchische 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
9. 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
dat
11
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 =
1
n−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
10. Intensiteit
belang
Betekenis Beschrijving
1 Hetzelfde belang Twee activiteiten dragen even-
veel bij aan de doelstelling
3 Klein belang van
het ene over het an-
dere
Oordeel en ervaring stelt de ene
eis enigzins boven de andere qua
belang
5 Essentieel of sterk
belang
Oordeel en ervaring stelt de ene
eis zwaar boven de andere qua
belang
7 Aangetoond belang Een activiteit heeft sterk de
voorkeur en zijn dominantie is
aangetoond in de praktijk
9 Absoluut belang Het bewijs dat sterk de voorkeur
geeft aan een activiteit over een
andere is van de hoogst mogelijke
orde
2, 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
11. 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 0.279
A2 0.279
A3 0.108
A4 0.108
A5 0.108
A6 0.019
A7 0.019
A8 0.019
A9 0.019
A10 0.019
A11 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; Sim˜ao et al. 2011)
c(de Ruiter et al. 2010b; Burova et al. 2010;
Akamatsu et al. 2014; MacVittie et al. 2012;
Andr´easson et al. 2011; Avellini et al. 2012;
Pischel and Andr´easson 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; Sim˜ao et al. 2011)
g(de Ruiter et al. 2010b; Burova et al. 2010;
Akamatsu et al. 2014; MacVittie et al. 2012;
Andr´easson et al. 2011; Avellini et al. 2012;
Pischel and Andr´easson 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
12. 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 ge¨exploiteerd.
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
13. Figuur 4: De spin van moleculen be¨ınvloedt 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 Andr´easson (2010) wordt
een optische switch gebruikt. Het molecuul
wordt bestaald met 100mW/cm2
gedurende
10 minuten om te switchen. Dit is ´e´en 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 = ρ
l
A
(2)
Rnanodraad = R0 · eβl
(3)
Waarbij Uwarmte de warmte-energie in
Joule, I de stroom die door de draad loopt
in Amp`ere, en Rdraad de weerstand is in
Ohm is. De weerstand van een draad schaalt
klassiek lineair met de lengte van de draad
13
14. 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 = 106
Ω 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 1
2
+ 2
1
3
4
+ 2
2
3
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 · 106
Ω
≈
1
2
· 1, 3512 · Naantalbits · 106
Ω
En:
[U] = [I] · [R]
[I] =
[U]
[R]
C/s ≤
60J
0, 68 · 106 · Naantalbits
Ω
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 ´e´en 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
´e´en seconde. De vergelijking wordt hier mee:
Naantalbits ≤ 6, 24 · 1018
·
60J
0, 68 · 106 · Naantalbits
Naantalbits ≤ 2, 34 · 107
bits
∼= 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
15. 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 1
M 1 1 1
O 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 4
M 1/5 1 1/3
O 1/4 3 1
Tabel 8: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A2
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
16. B3 E M O
E 1 1 7
M 1 1 7
O 1/7 1/7 1
Tabel 9: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A3
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
17. 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 1
M 1/3 1 1/3
O 1 3 1
Tabel 10: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A4
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
18. 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 4
M 1 1 4
O 1/4 1/4 1
Tabel 11: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A6
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 3
M 1/3 1 1
O 1/3 1 1
Tabel 12: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A8
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 1/9
M 2 1 1/8
O 9 8 1
Tabel 13: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A10
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 in- en uitvoer De
bestudeerde elektische systemen hebben alle-
maal een homogene in- en uitvoer. Magneti-
sche systemen hebben daarentegen allemaal
geen homogene in- en uitvoer en bij optische
systemen is de helft homogeen. Een homo-
gene in- en uitvoer is wenselijk. De waarde-
ring is weergegeven in tabel 14.
B11 E M O
E 1 9 5
M 1/9 1 1/5
O 1/5 5 1
Tabel 14: Matrix van de relatieve waarde-
ring van de switchtypes op eis A11
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
19.
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 effici¨enter 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 be¨ınvloed 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
20. 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
21. 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.
Andr´easson, 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
22. Feng, X., Mathoniere, C., Jeon, I.-R., Rouzieres, M., Ozarowski, A., Aubrey, M. L., Gonzalez,
M. I., Cl´erac, 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.
K¨arnbratt, J., Hammarson, M., Li, S., Anderson, H. L., Albinsson, B., and Andr´easson, 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
23. MacVittie, K., Hal´amek, 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 Andr´easson, J. (2010). A simplicity-guided approach toward molecular set–
reset memories. New Journal of Chemistry, 34(12):2701–2703.
23
24. 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., Lazi´c, 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.
Sim˜ao, C., Mas-Torrent, M., Crivillers, N., Lloveras, V., Art´es, 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., Ben´ıtez, 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
26. 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
27. 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
28. 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
