Материал: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164

Физические основы молекулярной электроники

2.4. Структура и электрофизические свойства

полимеров

Полимерами называются высокомолекулярные соедине­ ния, макромолекулы которых состоят из большого числа повторя­ ющихея звеньев. Основной характеристикой полимеров является число мономолекулярных звеньев N, которое называется степе­ нью полимеризации. Величина N может лежать в пределах от 102 до 109 (и больше для биополимеров). В силу цепного строения молекул и большой длины они приобретают следующие специ­ фические физические свойства.

1) Высокая чувствительность к различным внешним воз­ действиям, приложенным к любой части полимерной цепи, вслед­

ствие невозможности независимого трансляционного движения

мономерных звеньев.

2) Практически неограниченная топологическая память к

условиям синтеза и относительным перемещениям звеньев поли­

мера.

3) Наличие дальнодействующих (в пределах цепи) KOrpc- ляций, часто универсальных для различных типов полимеров.

4) Резкая анизотропия электронных спектров, широкие воз­ можности их модификации. Поэтому полимеры могут быть IIС

только диэлектриками, но и органическими полупроводниками,

проводниками, сверхпроводниками; проявлять сегнетоэлектричсс­

кие и ферромагнитные свойства.

В устройствах молекулярной электроники полимерам отво­ дится роль как активных функциональных элементов, так и как "мо­ лекулярных проводов", объединяющих систему в одно целое. По сути, проблема создания биокомпьютера сводится к возможности

синтеза трехмерного полимера, архитектура которого в значитель­

ной степени определяется процессами самоорганизации макромо­ лекул в реакционном объеме. В свою очередь возможность самоор­ ганизации определяется статистикой конформационных состояний молекул, зависящих от ряда характеристик этих молекул (гибкость, длина, характер сил взаимодействия между отдельными участками

56

Глава // Элементная база молекулярнойэлектроники

цепии т.д.). Болееподробнонапроблемесамоорганизациипри син­ гезе молекулярныхсистеммы остановимсяв п.2.7.

Количественнымихарактеристикамигибкостиполимерной

цепи являютсяперсистентнаядлина1 и длина эффективного сег­

р

мента 1. Персистентная длина определяется из следующего соот-

ношения:

где е - угол между двумя участками полимерной цепи, находя­ IЦИМИСЯ на расстоянии 8 (см. рис.2.4). Эффективный сегмент 1оп­ ределяется формулой:

(2.2)

где L - полная длина полимерной цепи. При этом полимерная цепь представляется системой свободно сочлененных между со­ бой N = L/I эффективныхсегментовдлиной 1.

/

\/

\'<,/ 8(5)

Рис. 2.4. К определению персистентной длины и эффективного сегмента 1 полимерной молекулы

57

Физические основы молекулярной электроники

Конформация реальных макромолекуп зависит от харак­ тера взаимодействий между ее звеньями. Если превалирует оттал­ кивание между ее сегментами, то макромолекула формируется в виде набухшего клубка с характерным размером R ~ /N", где v ::::-3/5. В том случае, если звенья притягиваются друг к другу, по­ лимерная молекула свертывается и образует глобулу, представля­ ющую собой достаточно компактную и плотную систему, в кото­ рой объемная концентрация звеньев не зависит от N.

Все отмеченные выше закономерности, установленные для синтетических полимеров, справедливы и для биополимеров -

природных макромолекул, к которым, как уже отмечалось, отно­

сятся белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Биополиме­ ры являются высокомолекулярными соединениями (с молекуляр­ ной массой в пределах от 103 до 109 а.е.м.) и образуют структур­ ную основу всех живых организмов. По своему строению основ­ ные цепи белков и нуклеиновых кислот состоят из мономерных идентичных звеньев, но в строении и последовательности боко­ вых групп у биополимеров закодирована генетическая информа­ ция организма. Таким образом, биополимеры фактически ЯВЛЯ­ ются гетерополимерами с заданной нерегулярной последователь­

ностью мономерных звеньев.

Помимо структуры макромолекул их важные биологичес­ кие функции определяются также конформациями, то есть различ­

ными состояниями молекул с неодинаковым расположением ато­

мов в пространстве, возникающими при изменении ее внутренних

геометрических параметров при различных воздействиях. Г10З1'О­ му проблема синтеза биополимеров, в частности, получения пспти­ дов с заданной последовательностью аминокислог и определенной конформацией предполагает весьма сложную технологическую за­ дачу, подходы к решению которой в настоящее время только наме­ чаются. Эта проблема имеет таюке непосредственное отношение к

синтезу сложных молекулярных систем, в частности, при создании

различных возможных вариантов бискомпьютеров.

58

Глава 11 Элементная база молекулярной электроники

2.5. Создание устройств молекулярной электроники на основе синтеза линейных

и разветвленных высокомолекулярных систем

ОДНИМ из основных технологических приемов при созда­ нии объемных схем молекулярных устройств является использо­ вание способа Меррифилда, дополненного набором различных уп­ равляющих воздействий (рис.2.5). Сущность метода Меррифил­ да, разработанного для получения полипептидов с заданной пос­

ледовательностью аминокислог, состоит в ТОМ, что растущая за

счет реакции с находящимся в ЖИДКОЙ среде очередным реаген­ ТОМ цепь все время химически связана с некоторой твердой поли­ мерной матрицей. Поскольку прикрепленные к полимеру проме-

Рис. 2.5. Блок-схема возможного технологического процесса син­ теза молекулярной ЭВМ по методу Меррифила: 1 - управляющая ЭВМ, 2 - реакционный объем, 3 - банк реагентов, 4 - блок датчиков, 5-8 - методы активного воздействия: 5 - лазерное стимулирование реакций, 6 - рентгеновская литография, 7 -- электрохимическиеметоды воздействия,8 - прочие методы [DЗ]

59

Физические основы молекулярной электроники

жуточные и конечные продукты не переходят в раствор, упроща­

ется управление синтезом (он может быть автоматизирован), по­ вышается выход, исключается "отравление" реагентов, упроща­ ется очистка реакционного объема.

В настоящее время работы в области синтеза молекуляр­ ных устройств ведутся весьма активно. В Центре Молекулярной Электроники фирмы IBM Доктор Линдсей (Lindsay) создал уп­ равляемый компьютером синтезатор, предназначенный для кон­

струирования сложных молекул, являющихся компонентами лю­

бого компьютера на молекулярной основе. В процессс синтеза базовая молекула химически присоединяется к пластиковой сфе­ ре малого диаметра: в реакторной камере содержатся тысячи та­ ких сфер. Добавление химических соединений в реакторную ка­ меру осуществляется специализированнымроботом под управле­ нием ЭВМ. С помощью компьютерапроизводитсятакже контроль

температуры, кислотности среды и т.д. и периодически анализи­

руется продукт реакции для того, чтобы обеспечить правильное его формирование. В ходе определенной последовательности хи­ мических реакций, предварительно смоделированных на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере, добавля­ ются новые молекулы. В процессе синтеза, который может длить­ ся несколько дней, под управлением компьютера будут построе­

ны очень сложные молекулы; каждая из этих молекул окажется

точной копией прототипа, описание которого хранится в памяти

машины.

Синтез осуществляется по модульному принципу. На пер­

вом этапе синтезируются молекулярные вентили различных ти­

пов. На втором этапе из этих вентилей конструируются более слож­ ные соединения (субкомпоненты), которые приблизительно соот­ ветствуют таким устройствам, как триггеры, счетчики и Т.п. По­ лученные субкомпоненты можно затем использовать для констру­ ирования законченных устройств, таких как предполагаемый ком­ пьютер на молекулярной основе.

60