Nanoscale communications based on Förster resonance energy transfer (FRET)

Abstract

Nano-haberleşme nano boyutlu makineler arasında haberleşme ağları geliştirerek nanomakinelerin kısıtlı yeteneklerini yenilikçi uygulamalarda faydalanılmak üzere geliştirmeyi amaçlayan yeni ve disiplinlerarası bir araştırma alanıdır Bu tezde, yariletken nano-tanecikler ve organik boyalar gibi floresan moleküller arasında gözlemlenen ve fiziksel olarak gerçeklenebilen bir fenomen olan Förster Rezonans Enerji Transferi'ne (FRET) dayalı nano boyutlu kablosuz haberleşme metodu önerilmiş ve incelenmiştir. Öncelikle, FRET teorisi temel alınarak, floresan özellikli iki nano-makine arasındaki tekli eksiton iletimine dayalı FRET tabanlı noktadan noktaya haberleşme kanalı bilgi kuramsal olarak modellenmiştir. Buna ilaveten, çoklu eksiton iletimine dayalı FRET tabanlı nano boyutlarda noktadan noktaya ve yayım haberleşmesinin performansı gerçekçi Monte Carlo simülasyonları ile analiz edilmiştir. Bu tezde ayrıca, çok basamaklı FRET tabanlı uzun mesafeli bir nano-haberleşme kanal da önerilmiştir. FRET tabanlı haberleşme ağları için elektriksel ve kimyasal olarak uzaktan kontrol edilebilen iki ayrı sinyal yönlendirme mekanizması tasarlanmmıştır. Ayrıca, FRET tabanlı mobil tasarsız moleküler nano-ağlar ve mobil moleküler sensör/aktör nano-ağları için analitik modeller geliştirilmiştir. Son olarak, Fluorescein ve Rhodamine B organik boya molekülleri arasında FRET ile deneysel olarak bilgi aktarımı gerçekleştirilmiştir. Bu deney, nano boyutlarda bilgi aktarımının fiziksel olarak gerçekleştirilebildiği öncü çalışmalardan biri olmuştur.

Nanoscale communication is a novel and quite interdisciplinary research area which aimsto design and develop communication networks among nano-size machines to extend theirlimited capabilities for groundbreaking biomedical, industrial and environmental applications. In this thesis, we propose and investigate a novel nanoscale wireless communication method based on a physically realizable phenomenon, Förster Resonance Energy Transfer (FRET) which is observed among fluorescent molecules such as semiconductor nanoparticles and organic dyes. Based on the well-established theory of FRET, we first information theoretically model FRET-based point-to-point communication channel between a single pair of fluorophore-based nanomachines with single-exciton transmission scheme. Furthermore, we analyze the performance of FRET-based point-to-point and broadcast nanoscale communications with multi-exciton transmission scheme performing realistic Monte Carlo simulations. We also propose a long range nanoscale communication channel based onmulti-step FRET. We develop electrically and chemically controllable information routingtechniques that are applicable to FRET-based nanonetworks. Moreover, we analyze FRETbasedmobile molecular nanonetworks deriving analytical models for FRET-based mobile ad hoc molecular nanonetworks (FRET-MAMNET) and FRET-based mobile molecular sensor/actor nanonetworks (FRET-MSAN). Lastly, we perform an experiment in which we achieve to transfer data with the transmission rates of 50, 150 and 250 kbps through the mixture of Fluorescein and Rhodamine B as the donor/acceptor pair. This experiment is one of the rst physical realizations of communications at nanoscale.