Реферат: Молекулярная электроника- электроника 21 века

 

Введение

В 1965 году, назаре компьютерной эры, директор отдела исследовательской компании FairchildSemiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхемебудет ежегодно удваиваться. Прошло уже 35 лет, а «закон Мура»по-прежнему действует. Правда, со временем практика микроэлектронногопроизводства внесла в него небольшую поправку: сегодня считается, что удвоениечисла транзисторов происходит каждые 18 месяцев. Такое замедление роста вызваноусложнением архитектуры микросхем. И все же, для кремниевой технологиипредсказание Мура не может выполняться вечно.

Но есть и другое,принципиальное ограничение на «закон Мура». Возрастание плотностиразмещения элементов на микросхеме достигается за счет уменьшения их размеров.Уже сегодня расстояние между элементами процессора может составлять 0,13х10-6метра (так называемая 0,13-микронная технология). Когда размеры транзисторов ирасстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров, вступят в силутак называемые размерные эффекты — физические явления, полностью нарушающиеработу традиционных кремниевых устройств. Кроме того, с уменьшением толщиныдиэлектрика в полевых транзисторах растет вероятность прохождения электроновчерез него, что также препятствует нормальной работе приборов.

Еще один путьповышения производительности — применение вместо кремния другихполупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокойподвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействиеустройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намногосложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследованиеGaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются восновном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низкимэнергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивостью.Однако и при разработке устройств на GaAs остаются в силе ограничения,обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологиейизготовления.

Вот почему сегодняспециалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные путидальнейшего развития микроэлектроники. Один из путей решения проблемыпредлагает молекулярная электроника.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА -ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО.

Возможностьиспользования молекулярных материалов и отдельных молекул как активныхэлементов электроники уже давно привлекает внимание исследователей различныхобластей науки. Однако только в последнее время, когда стали практическиощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковой технологии,интерес к молекулярной идеологии построения базовых элементов электроникиперешел в русло активных и целенаправленных исследований, которые стали сегодняодним из важнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.

Дальнейшиеперспективы развития электроники связываются с созданием устройств,использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов.В последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальные исследованияискусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев, проволок иточек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этихсистемах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронныхприборов.

Переход на квантовыйуровень, несомненно, является новым, важным этапом в развитии электроники, т.к.позволяет перейти на работу практически с единичными электронами и создатьэлементы памяти, в которых один электрон может соответствовать одному битуинформации. Однако создание искусственных квантовых структур представляетсложнейшую технологическую задачу. В последнее время стало очевидным, чтореализация таких структур сопряжена с большими технологическими сложностямидаже при создании единичных элементов, и непреодолимые трудности возникают присоздании чипов с многомиллионными элементами. Выходом из создавшегосяположения, по мнению многих исследователей, является переход к новой технологии-молекулярной электронике.

Принципиальнаявозможность использования отдельных молекул как активных элементовмикроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. Позднее он показал,что квантомеханические законы не являются препятствием в создании электронныхустройств атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает 1бит/атом. Однако, только с появлением работ Картера и Авирама стали говорить омолекулярной электронике, как о новой междисциплинарной области, включающейфизику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку, и ставившую своей цельюперевод микроэлектроники на новую элементную базу -молекулярные электронныеустройства.

Здесь определеннонапрашивается аналогия с историей развития устройств точного времени, которыепрошли путь от механических хронометров, использующих различного типа маятники,через кварцевые часы, основанные на твердотельных резонансах, и, наконец,сегодня наиболее точные часы используют внутримолекулярные эффекты в молекулахаммиака и т.д. Подобным образом развивается и электроника, прошедшая путь отмеханических электромагнитных реле и электровакуумных ламп к твердотельнымтранзисторам и микросхемам, а сегодня она подошла к порогу, за которым лежитобласть молекулярной технологии.

Не случайно, чтоосновное внимание было сосредоточено на молекулярных системах. Во-первых,молекула представляет собой идеальную квантовую структуру, состоящую изотдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическимизаконами и является естественным пределом миниатюризации. Другой, не менееважной особенностью молекулярной технологии, является то, что создание подобныхквантовых структур в значительной мере облегчено тем, что в основе их созданиялежит принцип самосборки. Способность атомов и молекул при определенныхусловиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярныеобразования является средством организации микроскопических квантовых структур;оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтезмолекулярной системы является первым актом самосборки соответствующихустройств. Этим достигается идентичность собранных ансамблей и, соответственно,идентичность размеров элементов и, тем самым, надежность и эффективностьпротекания квантовых процессов, функционирования молекулярных устройств.

С самого началаразвития молекулярного подхода в микроэлектронике открытым оставался вопрос офизических принципах функционирования молекулярных электронных устройств.Поэтому основные усилия были сосредоточены на их поиске, при этом основноевнимание уделялось одиночным молекулам или молекулярным ансамблям. Несмотря набольшое количество работ в этом направлении, практическая реализациямолекулярных устройств далека до завершения. Одной из причин этого является то,что особенно в начальный период становления молекулярной электроники сильныйакцент был сделан на работе отдельных молекул, поиске и создании бистабильныхмолекул, имитирующих триггерные свойства. Конечно, этот подход весьмапритягателен с точки зрения миниатюризации, но он оставляет мало шансов на то,что молекулярные электронные устройства могут быть созданы в ближайшее время.

Развитие новогоподхода в микроэлектронике требует решения ряда проблем в трех основныхнаправлениях: разработка физических принципов функционирования электронныхустройств; синтез новых молекул, способных хранить, передавать и преобразовыватьинформацию; разработка методов организации молекул в супрамолекулярный ансамбльили молекулярное электронное устройство.

В настоящее времяведется интенсивный поиск концепций развития молекулярной электроники ифизических принципов функционирования, и разрабатываются основы построениябазовых элементов. Молекулярная электроника становится новой междисциплинарнойобластью науки, объединяющей физику твердого тела, молекулярную физику,органическую и неорганическую химии и ставящей своей целью перевод электронныхустройств на новую элементную базу. Для решения поставленных задач иконцентрации усилий исследователей, работающих в различных областях знаний, вовсех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники,объединенные лаборатории, проводятся международные конференции и семинары.

Сейчас, да видимо,и в ближайшее время, трудно говорить о создании молекулярных электронныхустройств, работающих на основе функционирования одиночных молекул, но можнореально говорить об использовании молекулярных систем, в которыхвнутримолекулярные эффекты имеют макроскопическое проявление. Такие материалыможно назвать «интеллигентными материалами». Этап создания«интеллигентных материалов», т.е. этап функциональной молекулярнойэлектроники, естественный и необходимый период в развитии электроники, являетсяопределенной стадией в переходе от полупроводниковой технологии к молекулярной.Но возможно, что этот период будет более продолжительным, чем сейчас намкажется. Представляется более реалистичным, особенно на первых этапах развитиямолекулярной электроники, использовать макроскопические свойства молекулярныхсистем, которые обуславливались бы структурными реорганизациями, происходящимина уровне отдельных молекулярных ансамблей. Физический принцип функционированияподобных электронных устройств должен снять размерностные ограничения, покрайней мере, до размеров больших молекулярных образований. С точки зренияэлектроники и потенциальной возможности стыковки молекулярных устройств с их полупроводниковымисобратьями, было бы предпочтительно иметь дело с молекулярными системами,изменяющими свою электронную проводимость при внешних воздействиях, в первуюочередь под воздействием электрического поля.

Идеи молекулярнойэлектроники не сводятся к простой замене полупроводникового транзистора намолекулярный, хотя будет решаться и эта частная задача. Главной целью все жеявляется создание сложных молекулярных систем, реализующих одновременнонесколько различных эффектов, выполняющих сложную задачу. К задачам этого типаестественно в первую очередь отнести задачу создания универсального элементапамяти, как наиболее важной части любого информационно-вычислительногоустройства. Представляется весьма очевидным, что потенциальные возможностимолекулярной электроники будут раскрыты в большей мере при создании нейронныхсетей, состоящих из нейронов и связывающих их электроактивных синапсов.Создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов, различноготипа сенсоров, включенных в единую сеть, откроет путь к реализации всехпотенциальных возможностей, заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволитсоздать принципиально новый тип информационно-вычислительных систем и подойтивплотную к решению проблемы создания искусственного интеллекта.

Бактериородопсин:структура и функции.

Молекулярнаяэлектроника определяется как кодирование (запись), обработка и распознавание(считывание) информации на молекулярном и макромолекулярном уровне. Основноепреимущество молекулярного приближения заключается в возможности молекулярногодизайна и производства приборов «снизу вверх», т.е. атом за атомомили фрагмент за фрагментом, — параметры приборов определяются органическимсинтезом и методами генной инженерии. Двумя общепризнанными достоинствамимолекулярной электроники являются значительное уменьшение размеров устройств ивремени срабатывания (gate propagation delays) логических элементов.
 
Биоэлектроника, являющая разделом молекулярной электроники, исследуетвозможность применения биополимеров в качестве управляемых светом илиэлектрическими импульсами модулей компьютерных и оптических систем. Основноетребование к вероятным кандидатам среди большого семейства биополимеров состоитв том, что они должны обратимо изменять свою структуру в ответ на некоефизическое воздействие и генерировать, по крайней мере, два дискретныхсостояния, отличающихся легко измеряемыми физическими характеристиками(например, спектральными параметрами).

Значительный интерес в связи с этим представляют белки, основная функциякоторых связана с трансформацией энергии света в химическую в различныхфотосинтетических системах. Наиболее вероятным кандидатом среди них являетсясветозависимый протонный насос — бактериородопсин (БР) из галофильногомикроорганизма Halobacterium salinarum (ранее Halobacterium halobium), открытыйв 1971году.

Бактериородопсин — ретиналь-содержащий генератор протонного транспортапредставляет собой трансмембранный белок в 248 аминокислот с молекулярным весом26 кДа, пронизывающий мембрану в виде семи a-спиралей; N- и C-концыполипептидной цепи находятся по разные стороны цитоплазматической мембраны:N-конец обращен наружу, а C-конец — внутрь клетки (рис.1, 2).

/>

Рис.1.Модель БР в элементах вторичной структуры. Выделеныаминокислоты,
участвующие в протонном транспорте: кружками остатки аспарагиновой кислоты,
квадратом остаток аргинина. С Lys-216 (К-216) образуется основание Шиффа (SB).
Стрелкой показано направление протонного транспорта.

ХромофорБР — протонированный альдимин ретиналя с a-аминогруппойостатка Lys-216 размещен в гидрофобной части молекулы. После поглощения квантасвета в ходе фотоцикла происходит изомеризация ретиналя из all-E в13Z-форму. Белковое микроокружение хромофора может рассматриваться как рецепторс субстратной специфичностью для all-E /13Z-ретиналя, которыйкатализирует эту изомеризацию при комнатной температуре. Кроме того, частьаминокислот ответственна за подавление изомеризаций, отличных от all-E /13Z,например от all-E- к 7Z-, 9Z-, 11Z-ретиналю. Остальная частьполипептидной цепи обеспечивает канал протонного транспорта или экранируетфотохромнуювнутреннюю группу от влияний внешней среды.

Взаимная топография образованных полипептидной цепью БР элементов вторичнойструктуры после поглощения молекулой хромофора кванта света изменяется, врезультате чего формируется канал трансмембранного переноса протонов изцитоплазмы во внешнюю среду. Однако молекулярный механизм светозависимоготранспорта до сих пор неизвестен.

/>

Рис.2.Схематическая модель трехмерной (пространственной) структурыБР Семь a-спиралей формируют хромофорную полость итрансмембранный канал переноса протона.

БРсодержится в клеточной мембране H. salinarum — галофильной архебактерии,которая живет и размножается в соленых болотах и озерах, где концентрация NaClможет превышать 4 М, что в 6 раз выше, чем в морской воде (~ 0,6 М). Этотуникальный белок во многом подобен зрительному белку родопсину, хотя ихфизиологические функции различны. В то время как зрительный родопсин действуеткак первичный фоторецептор, который обеспечивает темное зрение большинствапозвоночных животных, физиологическая роль БР заключается в том, чтобы даватьвозможность галобактериям действовать как факультативным анаэробам в случае,когда парциальное давление кислорода в окружающей среде мало. Белокфункционирует как светозависимый протонный насос, который обеспечиваетобразование электрохимического градиента протонов на поверхности мембраныклетки, который, в свою очередь, служит для аккумулирования энергии. Первичнаяработа, производимая градиентом, заключается в синтезе АТФ через анаэробное(фотосинтетическое) фосфорицирование и, в этом случае, представляет собойклассический пример хемиосмотической гипотезы Митчелла об окислительномфосфорицировании. Когда освещение отсутствует, а парциальное давление кислородавысоко, бактерии возвращаются к аэробному окислительному фосфорицированию .
Клетки H. salinarum содержат также два так называемых сенсорныхродопсина (СР I и СР II), которые обеспечивают положительный и отрицательныйфототаксис. Различные длины волн считываются СР I и СР II как детекторнымимолекулами, что вызывает каскад сигналов, управляющих жгутиковым двигателембактерии. При помощи такого элементарного процесса светового восприятиямикроорганизмы самостоятельно перемещаются в свет подходящего спектральногосостава. Кроме того, в клетках имеется галородопсин (ГР), представляющий собойсветозависимый насос ионов Cl–. Его основная функция — транспорт вклетку ионов хлора, которые постоянно теряются бактерией, перемещаясь внаправлении изнутри наружу под действием электрического поля, создаваемого БР.Механизм действия ГР неясен. Предполагается, что Cl– связывается сположительно заряженным четвертичным азотом протонированного Шиффова основания,а изомеризация ретиналя из all-E в 13Z-форму вызывает перемещение этогоазота с прикрепленным к нему ионом Cl– от входного к выходному Cl–– проводящему пути.

/>

Рис.3.Участок пурпурной мембраны (вид сверху).

БРлокализован в участках клеточных мембран H. salinarum в виде пурпурныхмембран (ПМ), образующих двумерные кристаллы с гексагональной решеткой. Этиучастки содержат сам белок, некоторые липиды, каротиноиды и воду (рис.3).Обычно они имеют овальную или круглую форму со средним диаметром около 0,5 мкми содержат около 25 % липидов и 75 % белка. ПМ устойчивы к солнечному свету,воздействию кислорода, температуре более чем 80ºC (в воде) и до 140ºC(сухие), рН от 0 до 12, высокой ионной силе (3 М NaCl), действию большинствапротеаз, чувствительны к смесям полярных органических растворителей с водой, ноустойчивы к неполярным растворителям типа гексана. Большое практическоезначение имеет существующая возможность встраивания ПМ в полимерные матрицы безпотери фотохимических свойств.

Индуцированный светом протонный транспорт сопровождается рядом циклическихспектральных изменений БР, совокупность которых называется фотоциклом (рис.4).Тридцать лет исследований привели к довольно детальному пониманию фотоцикла,однако подробности протонного транспорта все еще изучаются.

Фотохимический цикл БР состоит из отдельных интермедиатов, которые могут бытьидентифицированы как максимумами поглощения, так и кинетикой образования ираспада. На рис.4 показана упрощенная модель фотоцикла БР.

/>

Рис.4. Фотоцикл БР.

Фотохимические итепловые стадии показаны как толстые и тонкие стрелки соответственно.Вертикальные символы указывают на all-E-конформацию ретиналя(интермедиаты B и О), наклонные символы — на 13Z-конформацию. Втемноте БР превращается в 1:1 смесь D и B, эта смесь называетсятемноадаптированным БР. При освещении БР происходит световая адаптация, т.е.переход в основное состояние B. Оттуда начинается фотоцикл, которыйприводит к транспорту протона через мембрану. В течение перехода L к М,длящегося примерно 40 мксек, Шиффово основание депротонируется и Asp85становится протонированным. Оттуда протон идет к внешней стороне внеклеточнойчасти протонного канала. В течение перехода М к N альдиминрепротонируется. В качестве донора протонов выступает остаток Asp96. Asp96репротонируется через цитоплазматический протонный полуканал. В то время каквсе преобразования между интермедиатами обратимы, переход от MIк MII, как полагают, является основным необратимым шагом вфотоцикле. В течение этого перехода азот Шиффова основания становитсянедоступным для внеклеточной части протонного канала, а только дляцитоплазматического полуканала, что связано с конформационными изменениямибелковой молекулы.

Физико-химические свойства интермедиатов характеризуются длиной волны ихмаксимумов поглощения и величиной специфического молярного коэффициентаэкстинкции. Протонирование SB и конфигурация ретинилиденового остаткавоздействует на величины максимумов поглощения. В течение фотоцикла БРпроисходит несколько зависящих от температуры конформационных изменений вбелке, таким образом, формирование большинства интермедиатов может бытьподавлено охлаждением.

Кроме основного фотоцикла имеется два состояния, которые могут быть вызваныискусственно. В интермедиатах P и Q конформация ретиналя 9Z. Этодостигается после фотохимического возбуждения all-E-ретиналя, когда в тоже самое время Asp85 протонирован. Это может быть достигнуто в диком типе БРпри низком значении pH или деионизацией (формирование так называемых голубыхмембран), однако такие препараты нестабильны. Альтернативным подходом являетсязамена Asp85 аминокислотой, имеющей другое значение pKa, которая остаетсянезаряженной при интересующих значениях pH или полное удаление карбоксильнойгруппы методами сайт-направленного мутагенеза. Стабильность таких мутантныхголубых мембран выше.

Уникальные свойства бактериородопсина обеспечивают широкий диапазон техническихприложений, в которых он может использоваться, однако коммерчески осуществимына сегодняшний день только оптические, поскольку их интеграция в современныетехнические системы наиболее проста.

Оптические приложения основаны на применении пленок БР — полимерных матрицразличного состава с включенными в них молекулами белка. Впервые в мире такиепленки на основе дикого типа БР были получены и исследованы в нашей стране врамках проекта «Родопсин»; в 80-х годах была продемонстрированаэффективность и перспективность применения таких материалов, названных«Биохром», в качестве фотохромных материалов исреды для голографической записи.

Весьма интересной является возможность варьирования фотохимическихсвойств пленок БР:
   а) заменой природного хромофора на модифицированный;
   б) химическими (физико-химическими) воздействиями;
   в) точечными заменами определенныхаминокислотных остатков методами генетической инженерии.

Такие модифицированные материалы могут обладать ценнымипецифическими свойствами, что предопределит их использование как элементнойбазы биокомпьютера.

Мыслящаямолекула

В последние годыученые многих стран вернулись к старой и простой идее «химического»компьютера, в котором вычисления производятся отдельными молекулами. Запоследний год исследователям сразу из нескольких лабораторий удалось получить вэтой области блестящие результаты, обещающие радикально изменить ситуацию.

Большого успехадостигли учёные в работе с молекулами псевдоротоксана (они показаны на рис.1).

/>

/>

Им удалосьнасадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось – линейную молекулу. Длятого чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам присоединяются крупныемолекулярные фрагменты, играющие роль «гаек» (в этом качествеиспользовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (Н+) илиоснованием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому,«переключая» химическое состояние. Забавно, что в принципе намолекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее насоединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительныхустройствах ХVII века (впрочем, при желании в этой молекулярной структуре можноуглядеть и простейшие канцелярские счеты, с одной костяшкой на каждом прутике).

Эта изящнаяхимическая молекула переключатель была изучена еще в начале 90-х годов, однакодля практической реализации идеи требовалось еще придумать методы объединения иуправления массивами этих минимикродиодиков. Создав моно слой одинаковоориентированных молекул такого типа на поверхности металла (эту очень сложнуюзадачу удалось решить, используя новейшие нанотехнологические методысамосборки), ученые осадили на него тончайший слой золота и уже создали на этойоснове примитивные прототипы логических вентилей.

Через несколькомесяцев после этого объединенная группа Марка Рида и Джеймса Тура (из университетов Йеля и Райса) продемонстрировала общественности еще один классмолекул-переключателей. Результаты были настолько впечатляющими, что журнал«Scientific American» (июнь, 2000) даже вынес на обложку анонс«Рождение молекулярной электроники»(хочется добавить – наконец-то!).Как написал со сдержанной гордостью один из авторов: «Мы создали молекулус переменной электропроводностью, которая может накапливать электроны по нашейкоманде, то есть работать как запоминающее устройство».

/>

Прежде всего,Джеймс Тур по специальной методике синтезировал молекулярную цепочку из звеньевбензол-1,4-дитиолата длиной 14 нанометров. В нее были введены группы, которые захватываютэлектроны, если молекула находится «под напряжением». Сложнейшаяпроблема, с которой также удалось справиться, заключалась в том, чтопереключение должно быть обратимым химическим процессом. Для работы молекулы вкачестве запоминающего элемента ее необходимо научить не просто захватыватьэлектроны, а удерживать их только в течение заданного времени. Собственноговоря, именно в этом и состоит главное достижение Рида и Тура с коллегами.
Электрохимический (в самом строгом и буквальном смысле этого термина!)переключатель показан на рис. 2 (левая часть). Он представляет собой цепочку изтрех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторонприсоединены группы NО2, и NН2, (на рисунке выделеныцветом). Такая асимметричная молекулярная конфигурация создает электронноеоблако сложной формы, в результате чего возникает удивительно красивый ипринципиально важный для решения поставленной задачи физический эффект – приналожении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется, и онаначинает пропускать ток (правая часть рисунка). При снятии поля молекулараскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние.Переключатель, созданный по этому принципу, представляет собой линейную цепочкуиз примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, расположенную между двумяметаллическими контактами. Более того, замеры с использованием туннельногомикроскопирования (фрагмент молекулярной цепочки был впаян между сверхтонкимииглообразными золотыми электродами; геометрия эксперимента показана на рис. 3)позволили получить рабочие параметры переключателя, которые с полным правомможно назвать молекулярной вольт-амперной характеристикой и молекулярнойпроводимостью (рис.4). Кривая проводимости (которая, кстати, оказалась весьмаблизка к расчетной) имеет четко выраженный «провал». Это позволяетпереводить участки молекулы из проводящего состояния в непроводящее, инаоборот, простым изменением приложенного напряжения. Формально и фактическиполучен (химик, конечно, предпочтет термин «синтезирован»)молекулярный триод. Действительно, это можно считать первым этапом созданиямолекулярной электроники.

/>/>

Рис.4 Молекулярная вольт-амперная характеристика                                                                       

Заключение

Хотя теоретическиеосновы молетроники уже достаточно хорошо разработаны и созданы прототипыпрактически всех элементов логических схем, однако на пути реального построениямолекулярного компьютера встают значительные сложности. Внешне очевиднаявозможность использования отдельных молекул в качестве логических элементовэлектронных устройств оказывается весьма проблематичной из-за специфическихсвойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическим элементам.

В первую очередьлогический элемент должен обладать высокой надежностью срабатывания при подачеуправляющего воздействия. Если рассматривать оптическую связь между элементами,то в системе одна молекула — один фотон надежность переключения будет невеликаиз-за относительно малой вероятности перехода молекулы в возбужденноесостояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, используя одновременнобольшое число квантов. Но это противоречит другому важному требованию: КПДпреобразования сигнала отдельным элементом должен быть близок к единице, тоесть средняя мощность реакции должна быть соизмерима со средней мощностьювоздействия. В противном случае при объединении элементов в цепь вероятность ихсрабатывания будет уменьшаться по мере удаления от начала цепи. Кроме того,элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояние и находиться внем достаточно долго — до следующего воздействия. Для сравнительно простыхмолекул это требование, как правило, не выполняется: если переходом ввозбужденное состояние можно управлять, то обратный переход может происходитьспонтанно.

Однако не все такплохо. Использование больших органических молекул или их комплексов позволяет,в принципе, обойти перечисленные трудности. Например, в некоторых белках КПДэлектронно-оптического преобразования близок к единице. К тому же, для большихбиоорганических молекул время жизни возбужденного состояния достигает десятковсекунд.

Но даже в томслучае, если отдельный молекулярный вычислительный элемент и не будет обладатьнадежностью своих кремниевых предшественников, эффективной работы будущегокомпьютера можно достичь, комбинируя принципы молетроники и параллельныхвычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Для этого надо заставить несколькоодинаковых молекулярных логических элементов работать параллельно. Тогданеправильное срабатывание одного из них не приведет к заметному сбою ввычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий по принципу массивногопараллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, может сохранять высокуюпроизводительность даже в том случае, если 75% из них выйдет из строя.Практически все живые системы используют принцип параллелизма. Поэтомунесовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов не мешает имэффективно функционировать.

Сегодня в миресуществует уже более десятка научно-технологических центров, занимающихсяразработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодные конференции  собираютсотни специалистов в этой области.

Большой интерес кмолетронике вызван не только перспективами построения компьютера, но и широкимивозможностями развития новых технологий. Благодаря высокой чувствительностимолекулярных электронных устройств к свету их можно использовать для созданияэффективных преобразователей солнечной энергии, моделирования процессафотосинтеза, разработки нового класса приемников изображения, принцип действиякоторых будет напоминать работу человеческого глаза. Молекулярные устройстваможно использовать также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только наопределенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности,медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживлять в организмчеловека с целью контроля за его состоянием.

Для решениястоящих перед молекулярной электроникой проблем нужны усилия широкого кругаученых, работающих в области академических знаний от коллоидной химии ибиологии до теоретической физики, а также в области высоких технологий. Крометого, требуются значительные финансовые вложения.

Необходиматакже подготовка новых высококвалифицированных кадров для работы в этой сложнойобласти, лежащей на стыке наук. Но, судя по всему, лет через 10-15 она будетиграть заметную роль в науке и технике.

Список используемого материала

По материалам сети Internet,статьи:

1.  Гончарова Е., бакалаврбиотехнологии;

2.  Зайцев В., Шишлова А., физическийфакультет, МГУ им. М. В. Ломоносова;

3.  Кригер Ю., д. ф-м. н.



еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике