Механическая память на основе НЭМС-систем
Свидиненко Юрий (Svidinenko)
Основа механоэлектрической молекулярной
электроники - молекулы, которые при воздействии извне могут изменять свое электрическое
состояние или конфигурацию. Исследователи из Калифорнийского института давно
занимаются механоэлектрическими системами, на основе которых можно создать ряд
НЭМС-актюаторов и механическую память. О последних достижениях в этой области
ученые доложили в декабрьском выпуске журнала Science. В этой статье мы расскажем о
НЭМС-системах, с помощью которых исследователи надеются создать
механоэлектрическую память.
"Современная молекулярная электроника
находится в зародышевом состоянии", - говорит Амар Флуд, исследователь из
UCLA и автор публикации в Science. - "Необходимо пояснить, что
молекулярная электроника - это комбинация активных молекул и электронных схем.
Пока еще рано говорить о том, как быстро результаты этой свадьбы появятся на
рынке, но ее вклад в развитие науки уже очевиден".
Рис. 1. Типы молекулярных элеваторов
Одно из первых применений молекулярных
машин, которые уже изготовлены учеными, - механоэлектрическая память. Первые
попытки создать из отдельных молекул механические системы были предприняты
Флудом, Стоддартом и их командой еще в 1996 году. В середине 2004 им удалось
создать молекулярный элеватор - НЭМС-систему, которая состоит из стержня и
молекулы-лифта. При подаче электрического потенциала на элеватор молекула-лифт
передвигалась вдоль стержня. Направление движения элеватора можно было
изменить, переключив полярность активирующего потенциала. Различные типы
элеваторов можно увидеть на рис.1. Нужно отметить, что эта НЭМС-система
активируется не только электричеством, но и световой энергией, а также
определенными химическими катализаторами. В качестве лифта в системе 1 типа
ученые использовали молекулу правильного ротаксана; во 2-й - молекулу катенана;
и в 3-й - молекулу псевдоротаксана.
Рис. 2. Активация молекул ротаксана и
катенана
Эти молекулы особенны тем, что при захвате
молекулой электрона она может изменить свой энергетический потенциал, а
находясь в составе наносистемы - изменить положение в пространстве. Так,
ротаксаны в наносистемах движутся линейно, в то время как катенаны вращаются
вокруг оси стержня, на котором находятся (см. рис. 2).
Этот же принцип использовался
исследователями при конструировании памяти. Как говорит Флуд, они
спроектировали 64-битную RAM-память на основе НЭМС-ячеек, использующих ротаксаны. При этом
размеры новой памяти бьют рекорды, установленные законом Мура.
Рис. 3. Модель молекулярной памяти на
основе молекул ротаксанов
Флуд и Стоддарт уже создали элементарную
ячейку памяти, которая переключается в логическое состояние 1 и 0 при подаче на
нее электрического потенциала. На рис. 3. можно видеть принцип действия новой
НЭМС-памяти.
"Когда мы подали положительный
импульс на ячейку, молекула ротаксана передвинулась в состояние 1, а когда мы
изменили полярность напряжения, она переместилась к положению, обозначающему
0", - сказал Стоддарт. - "Мы проверили работу устройства, заставив
его длительно переключаться. При этом мы смогли менять скорость переключения!
Мы изменяли частоту переключения от 10000 раз в 1 секунду до 10 раз. При этом, когда молекулы находились
в разных средах, скорость переключения также менялась," - говорит
Стоддарт.
Самое интересное в исследовании состоит в
том, что, используя различные полимеры в качестве основы для перемещения
ротаксанов, ученые добились изменения цвета молекулы (т.е. изменение в
излучаемом свете). В опыте использовались переключатели с красного на зеленый.
По словам Стоддарта, новые устройства могут работать даже в дисплеях! При этом
дисплеи будут механическими, т.е. принципиально новыми для современной
компьютерной промышленности! Но, конечно, до создания только прототипов таких
устройств еще далеко - от трех до пяти лет.
"Мы очень гордимся тем, что нам
удалось создать принципиально новые наносистемы. Я думаю, что это один из шагов к
тому, что называют молекулярным производством", - закончил Стоддарт.
Список литературы
1.
Nanotechnology-Now: Rapid Progress Reported In Emerging Field Of Molecular Electronics
2.
Stoddart Supramolecular Chemistry Group, UCLA: Molecular Electronics
3.
Stoddart Supramolecular Chemistry Group, UCLA: Molecular Electronics