Молекулы как элементы устройств памяти, логики и отображения информации

Основные положения лекции 5

Для кодирования и хранения информации может быть использовано любое устойчивое свойство молекулы. Можно реализовать, например, матрицу памяти с использованием ориентации электрического дипольного момента молекулы в том или ином направлении. Энергия, требуемая для переориентации, должна быть намного больше, чем средняя энергия теплового движения молекул.

Можно использовать также обратимую перестройку пространственной конфигурации молекул. Например, возможно обратимое изменение конфигурации молекулы азобензола между его транс- и цис-формами при поглощении кванта ультрафиолетового света с длиной волны 313 нм с возвращением к транс-форме при нагревании.

Экспериментально испытана также память на [2]-ротаксане, в котором "кольцо" может располагаться на "оси" в двух стабильных положениях. Переходы из одного положения в другое стимулируются подачей электрических потенциалов на концы "осевой" молекулы. При считывании измеряется небольшой потенциал между адресной шиной и соответствующей разрядной шиной. В одних случаях он положительный, в других – отрицательный. Плотность записи информации в экспериментальном чипе достигала 10¹¹ бит/см² и определялась лишь возможностями нанотехнологии изготовления системы шин. Частота записи/считывания зависит лишь от быстродействия электронных схем коммутации шин и от быстродействия узлов усиления и формирования сигналов считывания.

Показано, что уже довольно простые молекулы могут выполнять функции логических элементов. Используя некоторое смещение в них молекулярных орбиталей при появлении возле их "входов" внешних электрических зарядов, можно реализовать на их "выходе" такие логические операции, как дизъюнкция и конъюнкция. Молекулы функционируют при этом как потенциальные логические элементы. В логических цепях сигнал на выходе предыдущей молекулы при нанометровых расстояниях может действовать как входной сигнал для следующей молекулы без промежуточного усиления. Время "переключения" таких логических элементов определяется временами перестройки молекулярных орбиталей и исчисляется десятками фемтасекунд (10^-14 с) при совсем незначительном рассеянии энергии (порядка 0,5 эВ на одно переключение).

Другой подход к применению молекул как логических элементов состоит в использовании способности некоторых из них проводить электрический ток. Сейчас известно уже много групп таких молекул. Это, в частности, молекулы, в которых кроме -связей присутствуют также сквозные -связи. Когда такая молекула размещается между двумя металлическими электродами, играющими роль "резервуаров" электронов, то при наличии низкоомного контакта и внешнего электрического напряжения возникает возможность протекания электрического тока. Перенос электрического заряда возможен как "дырками" через не полностью заполненную электронами -МО (HOMO), так и "электронами проводимости" через ближайшую свободную -МО (LUMO). У молекул, имеющих заметную электропроводность, энергетическое расстояние между HOMO и LUMO относительно невелико, – как между валентной зоной и зоной проводимости в полупроводниках. Если в такой молекуле заменить один из боковых атомов водорода на группу , то электрон с нее относительно легко переходит на LUMO, повышая электронную проводимость молекулы. Если же заменить один из атомов водорода на группу , то электрон с HOMO относительно легко переходят на эту группу, высвобождая "дырку" на HOMO и повышая дырочную проводимость молекулы. Такие химические модификации позволяют регулировать электропроводность описанных молекул в широких пределах – вплоть до квазиметаллической.

Внутрь электропроводной полимерной молекулы можно химически "встроить" звено, разрывающее непрерывную цепь -МО на две части и в то же время выборочно чувствительное к тому или иному внешнему влиянию. Реагируя на это влияние изменениями в плотности распределения электронов на своих МО, это звено может существенно менять электропроводность молекулы. Тогда молекула может выступать в роли чувствительного элемента, превращающего изменения внешнего фактора в соответствующие изменения электрического тока. Уже синтезированы и исследованы полимерные молекулы, реагирующие таким образом на электрические, электрохимические, магнитные, механические, оптические и на химические воздействия.

Реализованы, например, образцы "молекулярного транзистора", в котором электропроводящая молекула полипиридила контактирует с золотыми электродами истока и стока, а под ней в подложке сформирован металлический затвор со сверхтонким слоем диэлектрика. В зависимости от потенциала на затворе молекула быстро переключается из открытого состояния в закрытое и наоборот. Из молекулярных транзисторов такого типа можно построить функционально полную систему логических элементов.

Молекулы определенной структуры могут выполнять роль простейшего двоичного элемента для построения сети клеточных автоматов.

Некоторые молекулы уже давно используются в информатике для построения жидкокристаллических индикаторов. В последние десятилетия найдены молекулы, которые в жидкокристаллическом состоянии переключаются из одной ориентации в другую за время порядка 1 мкс. Это позволяет строить на их основе цветные телевизионные экраны с весьма динамичной сменой изображений, а также электрически управляемые "транспаранты" для устройств групповой оптической обработки информации.

Основная задача на пути практического внедрения молекулярной элементной базы информатики заключается в разработке эффективной "молекулярной технологии" изготовления сложных логических схем, запоминающих и других устройств высокого уровня интеграции с высокой плотностью компоновки. Наличие хорошо развитых технологий синтеза молекул, прецизионных технологий наноэлектроники, промышленные проектные нормы которой уже достигли 20-30 нм, технологий осаждения на поверхность металлов молекул-распознавателей, на которые потом сами собой могут "адресно" высаживаться лишь комплементарные молекулы, технологий создания молекул-контейнеров, способных избирательно присоединять и переносить с собой на нужное место другую молекулу, – все это, вместе взятое, создает предпосылки для решения поставленной задачи.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Когда стало понятно, что на молекулах можно строить субминиатюрные устройства долговременной и оперативной памяти?
2. Какие свойства молекул могут быть использованы для построения из них устройств молекулярной памяти?
3. Как может быть устроена молекулярная память с использованием переориентации электрического дипольного момента молекулы?
4. Можете ли Вы привести пример молекулярной памяти, основанной на использовании обратимой перестройки пространственной конфигурации молекул?
5. Как устроена память на [2]-ротаксане? Какая плотность компоновки информации в ней достигнута? Каково возможное быстродействие?
6. Как функционирует потенциальная логика на молекулах?
7. На чем основана способность некоторых молекул проводить электрический ток? Приведите схему и энергетическую диаграмму.
8. Что такое "HOMO" и "LUMO"? Что такое "донорные" и "акцепторные" группы в электропроводящих молекулах?
9. Как устроены "молекулярные вентили" на электропроводящих молекулах?
10. Как функционирует "молекулярный транзистор"? Приведите схему и скажите, о каких приблизительно значениях электрического напряжения и электрического тока при этом идет речь.
11. Приведите пример молекулы, способной играть роль простейшего двоичного элемента для построения сети клеточных автоматов.
12. Что Вы знаете о принципе работы жидкокристаллических индикаторов? Изобразите структуру ЖКИ и опишите, как он функционирует.
13. Можно ли построить на основе ЖКИ цветные телевизионные экраны? Если можно, то как?
14. В чем состоят основные трудности на пути практического внедрения молекулярной элементной базы информатики?
15. Какие современные достижения дают основание для надежд на то, что эти трудности будут преодолены?