Наноприборы и наномашины

Актуаторы – это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую, или наоборот. Известно, что однослойные углеродные нанотрубки при сообщении им электрического заряда деформируются. Таким образом, возможно создание наноразмерных актуаторов, использующих три однослойные нанотрубки. Две внешние трубки должны быть металлические, внутренняя – изолирующей. Они должны быть выставлены параллельно осям и находится в контакте. (Рис. 8.4, Пул, с.297).

Приложенное напряжение вызывает отклонение концов нанотрубок, которое меняет направление на противоположное при изменении полярности напряжения.

Однако, производство таких наноприборов пока не организованно, так как необходимо преодолеть ряд трудностей, в первую очередь, - это связь с наноустройством и определение его положения. К примеру, балка длиной 10нм и толщиной 1нм будет иметь резонансную частоту 20-30ГГц. С уменьшением размеров и ростом частоты амплитуда колебаний падает, так что в этом частотном диапазоне смещение свободного конца балки могут лежать в интервале от до м. Столь малые амплитуды колебаний да еще на таких высоких частотах детектировать весьма сложно. Оптические методы, используемые в микрометровом диапазоне для регистрации смещения кончика балки в сканирующей зондовой микроскопии, не применимы из-за дифракционного предела. Он наступает, когда размер объекта, от которого отражается свет, становится меньше, чем длина волны света. Эти проблемы представляют существенные препятствия для развития MEMS – устройств.

С другой стороны, малая эффективная масса нанометровой балки делает ее резонансную частоту чрезвычайно чувствительной к незначительным изменениям массы. Было показано, что собственная частота нанокантилеверов может реагировать на адсорбцию небольшого числа томов или единичных молекул на поверхности. Это стало принципиальной основой для множества очень высокочувствительных датчиков.

Рис. 8.5 (Пул, с.301) демонстрирует идею изготовления шестеренок из нанотрубок. Зубьями шестеренок могут быть молекулы бензола, присоединенные к концу нанотрубки. Ведущее зубчатое колесо в левой части рисунка заряжено таким образом, чтобы дипольный момент был ориентирован поперек оси трубки. Приложение переменного электрического поля может заставить эту шестеренку вращаться. Ключевой частью любой наномашины является способ приведения ведущей шестеренки в движение. Так, для перекатывания молекулы по поверхности (Рис. 8.6, Пул, с.301) идеально плоского ионного кристалла было предложено использовать электрическое поле, которое будет поляризовать молекулу , перемещая положительные и отрицательные заряды на противоположные стороны сферы. Поскольку молекула имеет большую поляризуемость и большой диаметр, индуцируется большой дипольный момент. Если взаимодействие между дипольным моментом и приложенным электрическим полем больше, чем взаимодействие между молекулой и поверхностью материала, вращение вектора электрического поля вызывает перекатывание молекулы по поверхности.

Молекула азобензола, изображенная на рис. 8.6 (Пул, с.302), при облучении светом длиной волны 313нм ожжет изменять свою конфигурацию с транс-изомерной на цис-изомерную. Изомеры – это молекулы, состоящие из одинаковых атомов и имеющие тоже самое количество связей, но различную равновесную конфигурацию. Облучая цис-изомер светом с длиной волны боле 380нм, можно вернуть цис-форму в первоначальную транс-форму. Цис-изомер короче, чем транс изомер. Азобензол можно полимеризовать, тогда длина полимерной цепочки цис-изомера будет меньше, чем транс изомера. Группа из Мюнхенского Университета построила молекулярную машину, основанную на фотоизомеризации азобензольного полимера. Они прикрепили молекулу полимера в трансформе к кантилеверу в атомно-силовом микроскопе, как показано на рис. 8.6б, а потом облучили его светом с длиной волны 365нм, заставив полимер сжаться и изогнуть балку. Облучение светом с длиной волны 420нм возвращает полимер в транс-форму, позволяя балке вернуться в исходное положение. При попеременном облучении полимера импульсами света 420 и 365нм бала будет совершать колебания. Это – первая демонстрация искусственной одномолекулярной машины, которая преобразует энергию света в механическую работу.

Молекулярные переключатели могли бы стать основой устройств хранения информации и логических схем в компьютерах, использующих двоичную систему. Молекула А, которая может находится в двух различных состояниях А и В и обратимо переводится внешними воздействиями (свет, напряжение) из одного состояния в другое, может быть использована для запоминания информации. Оба состояния должны быть термоустойчивыми и способными переключаться в обе стороны много раз. Более того, эти два состояния должны быть различными для некоторого зонда.

Примером такого молекулярного переключателя может служить устройство на основе молекулы азобензола. К сожалению, цис-форма азобензола не является термоустойчивой, и незначительное нагревание может вернуть ее в трансформу, что препятствует применению оптических методов переключения в вычислительной технике. Использование электромеханического окисления и восстановления может преодолеть эту термическую неустойчивость азобензола. На рис. 8.7. (Пул, с.304) показано, как цис-изомер останавливается до гидроазобензола в электромеханическом процессе путем добавления двух атомов водорода под действием боле отрицательного потенциала, а затем возвращается к транс-изомеру путем окисления, удаляющего атома водорода.

Для изготовления молекулярного переключателя использовали и катенановые молекулы, состояние которых меняется при подводе напряжения.

Катенановыми называются молекулы, в которых одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом, как показано на рис. 8.8. (Пул, с.305). Два различных состояния переключателя длиной 1нм и шириной 0,5нм показаны на рис. 8.8. Для такого применения монослой катенана помещают между двумя электродами. Структура, показанная на рис. 8.8а - это разомкнутое состояние переключателя, так как такая конфигурация проводит электричество хуже (сила тока меньше в 4раза), чем структура на рис. 8.8б. Когда молекула окислена приложенным напряжением, которое удаляет электрон, группа содержащая серу, становится положительно ионизированной и электрически отталкивается от группы, кольцо которой содержит атомы азота. Это приводит к изменению структуры, которое по существу заключается в повороте кольца, расположенного в левой части молекулы.

Далее исследователи задались вопросом, а можно ли создать молекулу, проводимость которой можно было бы изменять скачком как в выключателе. Они использовали молекулу, изображенную на рис. 8.9 (Пул, с.307), которая состоит из трех бензольных колец, последовательно связанных атомами углерода с тройными связями. К среднему кольцу прикреплен донор электронов – аминогруппа , выталкивающая электроны на кольцо. На другой стороне находится акцептор электронов, нитрогруппа , оттягивающая электроны с кольца. В результате этого центральное кольцо обладает большим электрическим дипольным моментом. На рис. 8.10 (Пул, с.307) показана вольтамперная характеристика этой молекулы, прикрепленной обеими концами к золотым электродам. Ток по ней начинает идти при напряжении 1,6В, затем быстро увеличивается и резко падает при напряжении 2,1В. Такая характеристика наблюдается при температуре 60К, а при комнатной температуре зависимость имеет обычный вид. Предложенный механизм для эффекта состоит в том, что молекула изначально является непроводящей, а при напряжении, на котором наблюдается пик тока, она получает электрон и становится проводящей. При дальнейшем увеличении напряжения к молекуле добавляется второй электрон и она становится снова непроводящей.

Разумеется, демонстрации того, что молекула может проводить электричество и того, что этой проводимостью можно управлять, недостаточно для разработки компьютера. Для формирования логических элементов молекулярные переключатели необходимо соединить между собой. Молекула роксатона, показанная на рис. 8.11 (Пул, с.308), может менять конфигурацию при получении или потере электрона посредством вращения кольца в левой части рис. 8.11. Это было использовано для разработки переключающих устройств, которые можно соединить друг с другом. Такой переключатель, находящийся между двумя электродами, может быть открыт приложенным напряжением 0,7В. Ток в открытом состоянии отличался от тока в открытом состоянии в 60-80 раз. Для создания матрицы логических элементов, имеющих перспективу применения в компьютерах, множество таких переключателей должны быть собраны в массивы. Два переключателя, А и В, соединены как показано в верхней части рис. 8.12 (Пул, с.309), могут функционировать как логический элемент И. Для получения мощного сигнала на выходе оба переключателя должны находится во включенном состоянии. Выходной сигнал должен быть малым или его вообще не должно быть, когда оба переключателя выключены, или выключен только один из них. На рис. 8.12 показан выходной сигнал элемента для различных положений переключателей А и В, называемых адресными уровнями. Когда оба переключателя выключены (А=В=0) тока нет, когда включен только один из переключателей (А=0, В=1 или А=1, В=0) ток очень мал. Только сочетание А=1 и В=1 для обоих переключателей обеспечивает значительный выходной ток, показывая, что устройство действительно может работать как логический элемент И. Эти результаты демонстрируют потенциал использования молекулярных переключающих устройств для компьютерных технологий будущего.

Дата добавления: 2014-01-04