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Jahr 2014

Thema: Polymere und ihre Anwendungen im 21. Jahrhundert

1. Polymere

1. Definition von Polymerpolykondensation molekular

v Definitionsgemäß ist ein Polymer eine Verbindung mit hohem Molekulargewicht, die eine ausreichende Menge an Monomeren oder „Monomereinheiten“ enthält.

v Mit anderen Worten, Polymere sind lineare Ketten, die aus einer größeren (N>1) Anzahl identischer Einheiten bestehen. Zum Beispiel für synthetische Polymere N ~ 102-104.

v Polymere sind in der Regel Stoffe mit einem Molekulargewicht von mehreren tausend bis mehreren Millionen.

2. Erste Polymerproduktion:

v 1867 erhielt der russische Chemiker Alexander Butlerow das erste Polymer – das bisher unbekannte Polyisobutylen.

v Und 1910 synthetisierte Sergej Lebedew, ebenfalls ein russischer Chemiker, die erste Probe von künstlichem Kautschuk ((CH3)2C=CH2)n

3. Reaktionen zur Gewinnung von Polymeren - Polykondensation und Polymerisation:

v Grundsätzlich werden alle Polymere durch zwei Methoden erhalten – Polykondensations- und Polymerisationsreaktionen.

v Moleküle, die eine Mehrfachbindung (häufiger eine Doppelbindung) enthalten, nehmen an der Polymerisationsreaktion teil. Solche Reaktionen verlaufen nach dem Additionsmechanismus, alles beginnt mit dem Aufbrechen von Doppelbindungen (Reaktion Nr. 1 - Gewinnung von Polyethylen):

v Diese Art von Reaktion erzeugt viele Polymere, einschließlich Capron.

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Jahr 2014

1. Klassifizierung von Polymeren:

2. Struktur von Polymeren:

3. Anwendung:

v Aufgrund ihrer wertvollen Eigenschaften werden Polymere im Maschinenbau, in der Textilindustrie, in der Landwirtschaft und in der Medizin eingesetzt. Automobil- und Schiffsbau, Flugzeugbau und im Alltag (Textilien und Lederwaren, Geschirr, Kleber und Lacke, Schmuck und andere Artikel).

v Auf Basis makromolekularer Verbindungen werden Gummi, Fasern, Kunststoffe, Folien und Lacke hergestellt.

2. Polymere. Anwendung im 21. Jahrhundert

v Die Wissenschaft steht seit langem nicht still, und in dieser Zeit von der Entdeckung des Polymers bis zum heutigen Tag wurden sehr viele Modifikationen dieser erstaunlichen Substanz geschaffen. Einige der neuesten Entwicklungen sind die folgenden drei Polymere mit jeweils einzigartigen Eigenschaften.

1. „Intelligenter Ton“

v Der Hauptbestandteil eines solchen Plastilins ist Polydimethylsiloxan - (C2H6OSi) n. Dieses Polymer vereint mehrere ungewöhnliche Eigenschaften. Je nach Umgebungsbedingungen verhält es sich also unterschiedlich: In Ruhe verteilt es sich wie eine Flüssigkeit, bei einem starken mechanischen Aufprall zerbricht es wie ein fester Körper.

v „Smart Plasticine“ wurde zufällig erhalten, sein Erfinder mischte Silikonöl mit Borsäure in der Hoffnung, eine neue Art von Gummi zu erhalten, aber die Klebemasse stellte sich als nichts Vergleichbares heraus.

2. Hydrogel

v Hydrogele – sind feste Körner, eine polymere Substanz, die ihr Volumen in wenigen Stunden um mehr als das Zehnfache vergrößern kann. Es genügt Wasser, das Granulat quillt auf, wird weich wie Wachs, beim Verdunsten des Wassers schrumpft es und härtet wieder aus. Solche Substanzen werden als Superabsorber bezeichnet, sie nehmen nicht nur eine riesige Menge Wasser auf, das gequollene Polymer hält es mit seinen eigenen Molekülen im Inneren.

v Wenn das Lösungsmittel vom Polymer absorbiert wird, werden die Windungen gedehnt, d. h. im Anfangszustand absorbiert die komprimierte Polymerspule ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Wasser, und es wird innerhalb der Spule eingeschlossen.

v Dieses Prinzip liegt auch Eco-Soils, Hydrogelen, die in der Landwirtschaft verwendet werden, zugrunde. Normalerweise gelangt beim Gießen von Pflanzen das meiste Wasser in die tieferen Schichten des Bodens. Das dem Boden zugesetzte Hydrogel lässt es nicht durch die Finger fließen, selbst wenn die Pflanze durch das Granulat Wurzeln schlägt, fließt kein Wasser heraus.

v Da das Wassermolekül in die Polymerketten des Hydrogels eingebettet ist, wird während der physikalischen Zerstörung des Hydrogels kein Wasseraustritt beobachtet, und das System behält die gleichen Eigenschaften wie vor der Zerstörung.

v Das auffälligste Beispiel für die Arbeit eines Superabsorbers sind Wegwerfwindeln für Kinder, selbst diejenigen, die sie nicht kennen, wissen, wie sie funktionieren. Der mehrschichtige Aufbau enthält das gleiche flüssigkeitsabsorbierende Polymer wie ein Schwamm. Hydrogel, eine ähnliche Substanz aus einer Windel, kann auch ernsthaftere Arbeit leisten, beispielsweise in der Ölindustrie.

v Bei der Ölförderung gibt es seit langem ernsthafte Probleme. Beim Abpumpen kommen auf jede Tonne „schwarzes Gold“ drei Tonnen Wasser. Riesige Geldbeträge werden ausgegeben, um Öl von überschüssiger Flüssigkeit zu reinigen. Wissenschaftler haben lange nach einer Möglichkeit gesucht, Öl von Wasser zu trennen, bevor es in die Pipeline gelangt, die Lösung wurde im Labor der Staatlichen Universität Moskau gefunden.

v Polymerflüssigkeit wird in eine Ölquelle gepumpt und verhält sich unterschiedlich, je nachdem, ob die Quelle durch ein Wasserreservoir oder durch ein Ölreservoir führt.

v Das Funktionsprinzip ist recht einfach. Einmal im Bohrloch reagiert die Polymerflüssigkeit unterschiedlich auf Öl und Wasser, sie reagiert nicht mit „schwarzem Gold“, aber wenn das Polymer auf seinem Weg auf Wasser trifft, nimmt es es sofort auf. Das gequollene Gel verstopft die Wasserschicht und lässt sie nicht heraus. Durch die Ausdehnung des Hydrogels entsteht zusätzlicher Druck auf das Öl, wodurch es sauber herausgepresst wird.

3. „Intelligente Medizin

v Einige Polymere können auf Veränderungen der äußeren Umgebung reagieren, sodass „intelligentes Plastilin“ je nach Temperatur seine Farbe ändert. In kaltem Wasser dunkelt es merklich nach, wenn es in Wasser mit Raumtemperatur übertragen wird, nimmt es wieder seine ursprüngliche Farbe an. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich die Dichte der Spule, d.h. je niedriger die Temperatur, desto kleiner das Volumen der Wendel, und somit wird bei sinkender Temperatur der Farbstoff herausgedrückt und beim Mitreißen der Farbstoff in die Wendel gezogen, was zu einer Farbänderung führt.

v Das Polymer drückt die Farbe wie ein Wasserschwamm heraus, aber was ist, wenn der Farbstoff durch ein Medikament ersetzt wird, wird das Polymer in der Lage sein, die richtige Dosis des Medikaments kontrolliert abzugeben? Es gibt ein solches Medikament für den gerichteten Transport in einem lebenden Organismus, dieses Problem, das gelöst wird und gelöst werden muss, wird ziemlich ernsthaft bekämpft.

v Die meisten Medikamente werden verschwendet. Die Tablette weiß nicht, wie man ein erkranktes Organ findet, nachdem sie sich im Magen aufgelöst hat, verteilt sie sich durch das Blut im ganzen Körper, nicht mehr als 10% des Arzneimittels erreichen den richtigen Ort. Idealerweise sollte das Medikament direkt zum erkrankten Organ gelangen und keine Nebenwirkungen verursachen.

v „Intelligente Polymere“ können nicht nur auf Temperatur reagieren, sie reagieren empfindlich auf jede Veränderung in der Umgebung, für die sie programmiert werden. Wir wissen, dass Verletzungen mit Übersäuerung einhergehen; Die Umgebung wird sauer, aber dieses Helium wird so hergestellt, dass es bei Ansäuerung ein wenig schrumpft und das injizierte Medikament verdrängt.

v Basierend auf dem Polymergel wurde ein einzigartiges Medikament geschaffen - wundheilende Hydrogele. Das Hydrogel besteht aus acht Komponenten, die in destilliertem Wasser in einer bestimmten Reihenfolge gemischt werden. Im industriellen Maßstab wird jede Komponente in einem bestimmten Zeitintervall zugegeben, diese Substanzen bilden während der Reaktion eine stabile Polymerstruktur, in die dann der Wirkstoff eingebracht wird.

v Das Gel ist ein Vehikel, das ein Medikament in Mikrokapseln enthält, es wird auch „intelligentes Gel“ genannt – weil es unabhängig von den Personen, die es verwenden, Läsionen sucht und findet und Hilfe leistet. Als Teil des Hydrogels gibt das Polymer nicht nur ein, sondern mehrere Medikamente gleichzeitig auf die Wunde, je nachdem, was der Körper benötigt, um zu betäuben oder den Heilungsprozess zu starten, wird das Medikament nach und nach an die Wunde abgegeben lange Zeit und kann dann einfach mit Wasser abgewaschen werden. Vor dieser Arbeit gab es in Russland nichts Vergleichbares.

v Die Hülle einer Kapsel (Tablette) funktioniert nach dem gleichen Prinzip, sie besteht aus einem speziellen Polymer, sie ist nicht nur für den Transport von Medikamenten an ihren vorgesehenen Bestimmungsort verantwortlich, sondern auch für die Abgabe einer bestimmten Medikamentendosis eine lange Zeit.

Referenzliste

1. de.wikipedia.org

2. http://www.sigmapluss.ru/umniipolimer.php

3. http://www.kation-msk.ru/ru/press/article/15_8.html

4. http://xn--e1aogju.xn--p1ai/

5. http://www.km.ru/referats/7FA5CF33809646779974A80FDAD7A6CC

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Polare Polymere sind durch das Vorhandensein von permanenten Dipolen in ihrer Struktur gekennzeichnet. Wenn die Konformation des Polymers starr festgelegt ist, wird das resultierende Moment des Moleküls dadurch bestimmt, ob die Momente der einzelnen Segmente addiert oder subtrahiert werden. Im Allgemeinen befinden sich Polymermoleküle nicht in einer festen Konformation, und der experimentelle Wert – quadratischer Mittelwert des Dipolmoments – ist ein Durchschnitt über viele verschiedene Konformationen.

Bei polaren Polymeren wird die Permittivität nicht nur durch elektronische, sondern auch durch Resonanz- und Relaxationspolarisation bestimmt. Die charakteristische Zeit für den Aufbau einer resonanten Polarisation ist temperaturabhängig und beträgt 10-13 -10-12 s. Die Aufbauzeit der Relaxationspolarisation hängt von der Temperatur ab und variiert um viele Größenordnungen. Daher nimmt die Permittivität polarer Polymere mit der Frequenz ab und hängt in komplexer Weise von der Temperatur ab.

Bei polaren Polymeren, die eine höhere Permittivität als unpolare haben, nimmt die molare Polarisation mit steigender Temperatur ab. Die Beziehung (1.5) wird in diesem Fall in die Form transformiert

wo sind die Komponenten des Deformationstensors der Polarisierbarkeit des Moleküls, ist sein konstantes (resultierendes) Dipolmoment des Moleküls, ist die Boltzmann-Konstante, ist die Temperatur. Gleichung (1.6) wird oft als Debye-Gleichung für molare Polarisation bezeichnet.

Die Dipolmomente von Atomgruppen hängen wesentlich von der Art ihrer chemischen Bindung mit dem Molekül ab, in das sie eingehen. Die Notwendigkeit, die starke lokale Wechselwirkung zwischen dem Molekül und seiner Umgebung und als Folge davon die lokale zu berücksichtigen

Bei der Bestellung wurde die Einführung des Korrelationskoeffizienten berücksichtigt, definiert als:

wobei die Anzahl der nächsten Moleküle im System ist, γ der Winkel zwischen dem Molekül am Referenzpunkt und seinem nächsten Nachbarn ist. Unter Berücksichtigung des Korrelationskoeffizienten und einiger anderer von Fröhlich vorgenommener Verbesserungen war das Endergebnis die folgende Gleichung (genannt Fröhlich-Gleichung), die die makroskopische Permittivität mit dem Dipolmoment des Moleküls in Beziehung setzt:

wo ist der Brechungsindex von Licht in einem bestimmten Dielektrikum.

Bei allen polaren Polymeren werden zwei Arten von Relaxationsverlusten unterschieden: Dipol-segmental und Dipol-Gruppe. Der erste Typ beruht auf der Bewegung großräumiger Segmente von Makromolekülen, die als Biegeschwingungen der Hauptmolekülkette dargestellt werden können. Die zweite Art von Verlust ist mit der Rotation kleiner polarer Gruppen verbunden, die in den Seitenzweigen des Makromoleküls enthalten sind. Mehrere Regionen mit Dipolgruppenverlustmaxima (β, γ, δ) werden beobachtet, wenn das Polymer polare Gruppen mit unterschiedlicher Mobilität aufweist. Beachten Sie, dass eine gewisse Mobilität polarer Gruppen bis zu Heliumtemperaturen erhalten bleibt.

Mit zunehmender Polarität des Polymers nehmen die dielektrischen Verluste aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit zu. Sie werden bei hohen Temperaturen bei niedrigen Frequenzen beobachtet und nehmen mit steigender Temperatur exponentiell zu.

Verbindungen zwischen Leitern und Schaltungskomponenten in verschiedenen elektronischen Chips, wodurch sie ihre Geschwindigkeit erhöhen können.

Polyimide gelten in der modernen Mikroelektronik als eines der vielversprechendsten Isoliermaterialien. Diese Polymere haben gute thermische, mechanische und elektrische Eigenschaften, die noch verbessert werden können, wenn ihre Dielektrizitätskonstante verringert wird. Eines der einfachsten aromatischen Polyimide hat die folgende Strukturformel:

Um die Dielektrizitätskonstante von Polyimid zu verringern, wurde vorgeschlagen, einige der Wasserstoffatome durch Fluoratome zu ersetzen, da die Polarisierbarkeit der C-F-Bindungen geringer ist als die der C-H-Bindungen sehr polar, was die Permittivität bei hohen Frequenzen jedoch nicht beeinflusst, bei niedrigen Frequenzen aber zu einer Erhöhung führen kann. Polyimide werden jedoch normalerweise bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur verwendet, sodass eine Orientierungspolarisation schwierig ist und keinen merklichen Beitrag im Betriebsfrequenzbereich leistet. Darüber hinaus hilft die Verwendung einer symmetrischen Substitution, das resultierende Dipolmoment zu vermeiden:

Durch die Verwendung von fluorierten Polyimiden kann die Dielektrizitätskonstante von 3,4 auf 2,8 gesenkt werden.

Eine andere Möglichkeit, die Dielektrizitätskonstante zu verringern, besteht darin, den Anteil des freien Volumens1 im Polymermaterial zu erhöhen. Eine Erhöhung des freien Volumens führt zu einer Verringerung der Anzahl polarisierbarer Gruppen pro Volumeneinheit, wodurch die Dielektrizitätskonstante des Polymers verringert wird. Schätzungen zeigen, dass es mit dieser Methode möglich ist, den Wert der Permittivität gegenüber dem Ausgangswert um mehrere zehn Prozent zu reduzieren.

Generell kann bei Betrachtung beider Methoden geschlussfolgert werden, dass beim Aufbau von molekularen Strukturen mit niedriger Permittivität die Regulierung des freien Volumens ebenso wichtig ist wie die Wahl von funktionellen Gruppen mit geringer Polarisierbarkeit.

Zusammen mit der Schaffung von polymeren Dielektrika mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ist in den letzten Jahren ein weiteres Problem dringend geworden – die Schaffung von polymeren dielektrischen Dünnfilmmaterialien mit einem ultrahohen Wert der Dielektrizitätskonstante. Sie sollen als Gate-Dielektrikumsschichten in organischen Feldeffekttransistoren (OPTs) verwendet werden. An die Gate-Dielektrika von OPTs werden eine Reihe spezifischer Anforderungen gestellt. Diese Schichten sollten eine hohe Dielektrizitätskonstante, geringe Leitfähigkeit und Verluste aufweisen und ihre Dicke sollte mehrere hundert Nanometer nicht überschreiten. Gegenwärtig werden dünne Schichten aus anorganischen Oxiden wie SiO 2 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 und einer Reihe anderer weit verbreitet als dielektrische Gate-Schichten bei der Herstellung von OPTs verwendet. Die Dielektrizitätskonstante dieser Oxide beträgt etwa 6 - 30 bei einer Schichtdicke von 5 bis 500 nm.

1 Das freie Volumen in einem Polymer ist das Volumen zusätzlich zu dem von den Atomen eingenommenen Volumen, basierend auf ihrem Van-der-Waals-Radius, dem Volumen.

Das Problem des Übergangs von anorganischen Oxid- zu polymeren dielektrischen Schichten ist mit der Notwendigkeit verbunden, die Herstellungstechnologie von OPTs zu vereinfachen, da die Implementierung der „Drucker“1-Technologie zur Herstellung von OPTs mit Oxid-Dielektrika schwierig ist.

Polare Polymerdielektrika sollten als vielversprechende Materialien angesehen werden, die für diese Zwecke verwendet werden können. Von besonderem Interesse sind polymere Dielektrika, deren Moleküle polare Gruppen mit großem Dipolmoment enthalten. Ein typischer Vertreter dieser Klasse von Polymerdielektrika ist Polyvinylalkoholcyanether (CEPS). Die Strukturformel der CEPS-Monomereinheit hat die Form

CEPS zeichnet sich durch einen der höchsten Werte der Dielektrizitätskonstante unter bekannten Polymermaterialien aus. Der ε-Wert dieses Polymers liegt bei einer Frequenz von etwa 103 Hz

15, und tgδ übersteigt 0,1 - 0,15 nicht.

Eine so signifikante Permittivität von CEPS ist auf das Vorhandensein von hochpolarem Nitril (CN), Car-

Bonyl- (C=O) und Hydroxyl- (OH) Gruppen, die sich unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes orientieren können (Abb. 1.12). Bei günstiger Ausrichtung dieser Gruppen ist der Maximalwert des Dipolmoments gleich 5,13 D, im Mittel aber die Summe

1 Die Herstellungstechnologie „Drucker“ von OPT basiert auf dem Tintenstrahldruckverfahren, sowie dem Druckverfahren des Mikrokontaktdrucks und des Thermotransferdrucks.

das Dipolmoment der Monomereinheit (unter Berücksichtigung des Korrelationskoeffizienten g = 0,84) beträgt 3,63 D.

Reis. 1.12. Durch die Orientierung der polaren Gruppen entsteht ein signifikantes Dipolmoment der CEPS-Monomereinheit

Polymerdielektrika werden in verschiedenen elektronischen Geräten weithin verwendet. In der organischen Elektronik werden sie meist in Form von dünnen Filmen eingesetzt, daher erreicht die elektrische Feldstärke in ihnen bereits bei relativ niedrigen Betriebsspannungen signifikante Werte. In einem 100 nm dicken Film beträgt die durchschnittliche Feldstärke zwar bereits 106 V/s, wenn er einer Spannung von 10 V ausgesetzt wird, aber in lokalen Bereichen des Polymers, beispielsweise an der Grenze des Amorphen oder Kristallinen Bereichen oder an der Elektrode-Polymer-Grenzfläche kann sie diesen Wert deutlich überschreiten. Somit sind die mit der elektrischen Festigkeit von dünnen Polymerfilmen und ihrer Leistung in einem starken elektrischen Feld verbundenen Probleme von größter Bedeutung.

Bisher wurde festgestellt, dass die elektrische Zerstörung von Folien kein kritisches Ereignis ist, das bei Erreichen einer bestimmten Feldstärke eintritt. Ihre Lebensdauer in einem elektrischen Feld (Haltbarkeit) nimmt mit zunehmender Intensität exponentiell ab. Elektrische Zerstörung durch

Polymerfolien können als ein Prozess angesehen werden, der aus zwei aufeinanderfolgenden Stufen besteht. In der ersten (vorbereitenden) Stufe kommt es zu einer Akkumulation von Schäden an Makromolekülen, die durch das elektrische Feld ausgelöst werden. Die Dauer dieser Phase bestimmt die Haltbarkeit der Filmprobe in einem elektrischen Feld (die Zeit vom Moment des Anlegens der Spannung an das Polymer bis zum Zusammenbruch). In der zweiten (letzten) Stufe verliert das Polymerdielektrikum seine Fähigkeit, dem Fluss von Strom hoher Dichte zu widerstehen, sein starker Anstieg wird beobachtet, d. H. Es tritt ein elektrischer Durchbruch auf.

Die elektrische Festigkeit von Filmen vieler Polymere wurde bei konstanten, wechselnden und gepulsten Spannungen untersucht. Die durchgeführten Studien zeigen, dass der Zusammenbruch von dünnen Filmen von Polymeren

Personentypen treten in Feldern mit einer Intensität von (2–6) 108 V/m auf.

Dieser Wert unterscheidet sich praktisch nicht von der Feldstärke, bei der unter Bedingungen begrenzter Teilentladungen dickere Polymerfilme durchbrechen.

Wichtige Faktoren, die die Ansätze zur Betrachtung des Mechanismus des elektrischen Durchschlags von Dünnfilm-Polymerstrukturen weitgehend bestimmen, sind die Abhängigkeit ihrer elektrischen Lebensdauer von der Feldstärke und der Einfluss der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und des Elektrodenmaterials auf die Durchschlagsfestigkeit.

Der beobachtete Einfluss der elektrischen Feldstärke auf die Haltbarkeit und der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit auf die Durchschlagsfestigkeit scheint ein sehr wichtiger Fakt zu sein, da er als Indiz dafür gewertet werden kann, dass die elektrische Zerstörung dünner Polymerfilme tatsächlich die Folge ist eine allmähliche Anhäufung von Schäden (Veränderungen), die in einem Zusammenbruch gipfeln. Dabei werden Bedingungen geschaffen, unter denen das polymere Dielektrikum zu einem bestimmten Zeitpunkt unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes sein „Dielektrikum“ verliert

Eigenschaften“ und ist in der Lage, erhebliche Ströme zu leiten, was zu seiner Zerstörung (Durchbruch) aufgrund von Wärmefreisetzung führt.

Der Abbau eines Polymermaterials in einem elektrischen Feld erfolgt aufgrund des Aufbrechens chemischer Bindungen in Polymermolekülen, der Freisetzung von Energie während der Rekombination von Ladungen und der Wärmefreisetzung während des Flusses eines Stroms hoher Dichte.

1.6. POLYMERE MIT EIGENER LEITFÄHIGKEIT

Der Hauptunterschied zwischen Polymerdielektrika und Polymeren mit intrinsischer elektronischer Leitfähigkeit besteht darin, dass die ersteren keine konjugierten chemischen Bindungen enthalten, wie die letzteren.

Unter der Vielzahl von leitfähigen Polymeren können gemäß der von A. V. Vannikov vorgeschlagenen Klassifizierung, basierend auf den Eigenschaften des Transports von Ladungsträgern, die folgenden Gruppen herkömmlicherweise unterschieden werden.

1. Die Leitfähigkeit wird durch den Transport von Ladungsträgern entlang polymerer polykonjugierter Ketten bestimmt. Typische Vertreter dieser Polymergruppe sind orientiertes Polyacetylen, Polythiophen, Polypyrrol.

2. Ladungsträger bewegen sich entlang polykonjugierter Polymerketten, aber der Gesamttransport wird durch Ladungsträgersprünge zwischen Polymerketten bestimmt. Diese große Gruppe umfasst zahlreiche Derivate von Polyphenylenvinylen, Polymethylphenylsilylen und anderen. Hierbei ist zu beachten, dass der intermolekulare Ladungstransfer den Transport stark behindert, die Mobilität von Ladungsträgern in solchen Polymeren also deutlich geringer ist als die intramolekulare Mobilität.

3. Lokalisierte Transportzentren befinden sich in der Hauptkette des Polymers, das keine Polykonjugation aufweist, beispielsweise ein Polyimid, das Triphenylamin- oder Anthracen-Transportgruppen in der Hauptkette enthält.

4. Lokalisierte Transportzentren sind Seitensubstituenten des Polymerrückgrats. Dazu gehören Polyvinylcarbazol, Polyepoxypropylcarbazol, Polyvinylanthracen usw.

5. Die letzte, umfangreichste Gruppe umfasst Polymere, die mit niedermolekularen Wirkstoffen dotiert sind. Bei solchen Compounds ist in der Regel die Polymermatrix maßgebend physikalisch-mechanische und spektrale Eigenschaften des Systems.

Der Leitungsmechanismus von Polymeren der Gruppen 2–5 ist Hopping und steht im Zusammenhang mit der Übertragung von Ladungsträgern durch Transportzentren. Aufgrund seiner Natur und beobachteten Gesetzmäßigkeiten ähnelt es dem Hüpfmechanismus der Mobilität. Abhängig von der Art des Polymers kann die Mobilität in ihnen Elektron oder Loch sein.

Der Lochtransport erfolgt durch Transportzentren, die ein minimales Ionisationspotential aufweisen. Üblicherweise sind dies aromatische Amingruppen oder -verbindungen. Der Lochtransport ist mit dem Sprung eines Elektrons vom höchsten gefüllten Molekülorbital (HOMO-Niveau) des neutralen Transportzentrums in das Molekülorbital des benachbarten positiv geladenen Transportzentrums verbunden.

Der Elektronentransport erfolgt durch Transportzentren, die durch maximale Elektronenaffinität gekennzeichnet sind. Am häufigsten fungieren sauerstoffhaltige Gruppen als solche Zentren. Ein Elektron aus dem Molekülorbital des negativ geladenen Zentrums bewegt sich zum niedrigsten freien Orbital (LUMO-Niveau) des benachbarten neutralen Transportzentrums.

Leitfähigkeit,

Strukturformel Name

Polyacetylen 10 4

Polyphenylen 10 3

Polypyrrol 10 3

Polythiophen 10 3

Polyanilin 10 2

Reis. 1.13. Strukturformeln leitender Polymere

Die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren der ersten Gruppe wird durch die elektrische Leitfähigkeit von Polymerketten bestimmt. Diese Polymere sind Polymere mit hoher Dunkelleitfähigkeit. Strukturformeln und spezifische Leitfähigkeit einiger von ihnen sind in Abb. 1 dargestellt. 1.13.

-/a 0 /a

Reis. 1.14. Diagramm der Abhängigkeit der Energie vom Wellenvektor eines Elektrons in einer monoatomaren linearen Kette (a) und der Zustandsdichte g (E)

für diese Kette (b). Zustände, die bei T = 0 von Elektronen besetzt sind, sind schattiert

HISTORISCHER RÜCKBLICK
Bereits in den 1960er Jahren wurden Polymere mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, pseudometallischen und halbleitenden Eigenschaften erhalten. Ein klassisches Beispiel für diese Polymerklasse ist Polyacetylen. Aufgrund polykonjugierter chemischer Bindungen kann seine elektrische Leitfähigkeit sowohl während der Synthese (durch Steuerung der Länge von Polymerketten) als auch unter Feldeinflüssen (thermische, elektromagnetische, ionisierende Strahlung) über einen weiten Bereich verändert werden, was zu einer entsprechenden Änderung entweder der Primärseite führt Struktur des Polymers (strukturelle Umlagerung) oder den Grad seiner Polymerisation zu ändern. Leitfähige Polymere werden häufig zur Herstellung von Elektroden für chemische Stromquellen (Polyaniline), automatische Temperaturregler und Spannungsstabilisatoren (Polyacrylnitrile), als Kondensatorelektrolyte (Salze von Polypyrolen) usw. verwendet. Die Entdeckung und Untersuchung der Wirkung der Photoleitfähigkeit in Polynitrilen, Polyphthalocyaninen, Polyphenylen und Polyphenylenvinylenen führte zur Bildung von darauf basierenden Photodetektoren, und die hohe „Empfindlichkeit“ der spektralen Eigenschaften von Polymeren gegenüber der ursprünglichen Struktur und Polymerkomponente machte dies möglich um Geräte mit einem breiten Spektralbereich zu erstellen. Allerdings sollte der Gerechtigkeit halber anerkannt werden, dass ihre Lumineszenzquantenausbeute einige Prozent nicht überstieg. In den 1980er Jahren, als Ergebnis von Studien zu leitenden Polymeren mit einem hohen Orientierungsgrad von Polymerketten in einer Massenprobe (was es ermöglicht, die Eigenschaften einer quasi-eindimensionalen Struktur von Makromolekülen zu nutzen), polymere quasikristallin Materialien mit einer hohen Anisotropie der elektrischen Eigenschaften wurden erhalten. Die Beweglichkeit der Ladungsträger in ihnen erreichte 5000–6000 cm2/V.s.
Die Vielfalt der Strukturen von Polymersystemen und die Möglichkeit ihrer Modifizierung boten den Forschern die größte Auswahl an Materialeigenschaften. Dies veranlasste sie natürlich, zu versuchen, aktive elektronische Geräte auf der Basis von Polymermaterialien zu implementieren. Die Arbeit wurde auf der Grundlage der Theorie der Halbleiterbauelemente durchgeführt, der physikalischen und technologischen Prinzipien ihrer Entstehung, die zu dieser Zeit recht gut entwickelt waren. Gleichzeitig wirkten in polymeren (molekularen) Systemen die Energiezustände von Ladungsträgern auf den höchsten und niedrigsten unbesetzten Niveaus von Molekülorbitalen als Analogon des Fermi-Niveaus und als Analogon des Dotierungsprozesses, was zu einer Änderung der Position des Fermi-Niveaus, war der Vorgang der chemischen Substitution, der eine Änderung des Ionisationspotentials und der Elektronenaffinität verursachte. Durch Veränderung der Primärstruktur des Polymers kann man die Höhe der Molekülorbitale und damit die Breite seiner Bandlücke einstellen. In Fortsetzung der Betrachtung von Analogien weisen wir darauf hin, dass Systeme aus linearen Polymeren mit konjugierten Bindungen als Interkonnektoren verwendet werden können.
Betrachten wir nach einem kurzen historischen Exkurs die „Förderung“ von Polymeren in der Welt moderner elektronischer Geräte.

ORGANISCHE LED MIT HOHER HELLIGKEIT
Licht emittierende Dioden (LEDs) waren die ersten elektronischen Geräte auf der Basis von Polymeren. Schon jetzt kann davon ausgegangen werden, dass die Entwicklungen praktisch das Niveau erreicht haben, das den Umstieg auf die industrielle Produktion von organischen LEDs ermöglicht, und die Aufgabe von heute ist es, Geräte mit hoher Leuchtkraft zu schaffen. Zahlreiche Studien auf diesem Gebiet führten in unterschiedlicher Weise zu der optimalen konstruktiven und technologischen Option, die als „transparente organische Leuchtdiode“ (Transparent Organic Light Emitting Diode – TOLED, Abb. 1) bezeichnet wurde. Das Funktionsprinzip ist äußerst einfach und besteht in der Erzeugung von Strahlung durch Polymermoleküle unter Einwirkung eines elektrischen Felds als Ergebnis der Rekombination von Trägern in der Elektrolumineszenzschicht. Strukturell sollte die LED so gestaltet sein, dass die transparente Elektrode, die Lochübertragungsschicht, die Elektrolumineszenzschicht und der Wellenleiter so transparent wie möglich sind und die Elektronenübertragungsschicht und die negative Elektrode eine maximale Interferenz und Spiegelreflexion von Strahlung liefern. Um den Beitrag der reflektierten Strahlung in einigen LED-Designs zu verbessern, erhält die negative Elektrode eine geeignete Form (z. B. ein konkaver Parabolspiegel) und es werden optische Elemente auf der Basis von in der Kunststoffschicht ausgebildeten Fresnel-Linsen eingeführt.
Derzeit werden aktiv neue organische Materialien für LEDs untersucht. So wurde bei der Firma Fujitsu auf Basis eines Copolymers aus Para- und Metabutadien ein leitfähiges Polymer mit maximaler Strahlungsintensität bei einem Verhältnis von para- und meta-Modifikationen von 2:1 erhalten. Als lochinjizierende Schicht wird ein leitfähiges Polymer auf Thiophenbasis verwendet, wodurch die Betriebsspannung der LED bei hohen Strömen reduziert werden konnte. Die positive Elektrode aus einer Mg-In-Legierung ist hochstabil und bietet ein hohes Maß an Elektroneninjektion. Auf einem Glassubstrat wird eine negative Elektrode aus Indiumzinnoxid abgeschieden.
In Zukunft plant das Unternehmen, diese organische LED mit Polysilizium-Dünnschicht-Feldeffekttransistoren zu verwenden, um Displays herzustellen, die ein „Live“-Bild wiedergeben können. Diese Displays haben eine hohe Helligkeit und weite Betrachtungswinkel und kosten erheblich weniger als aktuelle AM-LCDs.

DISPLAYSYSTEME
Bis vor kurzem wurden LEDs auf Basis organischer Verbindungen nur in Mobiltelefonen und Uhren verwendet, da es erhebliche technologische Probleme gab, die Eigenschaften von LEDs bei der Bildung von Matrizen beizubehalten. Die Entwicklung von „Niedrigtemperatur“-Technologien hat dieses Hindernis beseitigt. Die Intensität der Arbeit und das Spektrum der zu lösenden Aufgaben bei der Schaffung von flachen Anzeigen und Displays auf Basis organischer Materialien werden durch Forschungen auf dem Gebiet der Gewinnung von durchstimmbaren Farb-LEDs mit vertikaler Struktur (Princeton University) und eines farbigen organischen EL-Displays belegt für wandmontierte Fernseher und mobile Multimediasysteme (Firma Idemitsu Kosan) sowie die Beherrschung der Pilotproduktion von Polymer-LEDs auf Basis der Technologie von Cambridge Display Technology (Uniax) und die Produktion von LCDs auf Kunststoffsubstraten (Ricon). Die Lichtausbeute moderner organischer LEDs und darauf basierender Informationsanzeigegeräte beträgt 10–60 lm/W, die Helligkeit der Lichtemission erreicht 50.000 cd/m2 und die Lebensdauer beträgt 10.000 Stunden (bei einer Helligkeit von 150 cd/m2 ).
Die wichtigste Errungenschaft der 90er Jahre war die Entwicklung organischer blauer LEDs, die es ermöglichten, auf RGB-Triaden basierende Vollfarbbildschirme zu erstellen. Eines der technologischen Hauptprobleme in diesem Fall ist die schädigende Wirkung technologischer Prozesse während der Bildung eines LED-Satzes (die ersten Elemente des Satzes werden chemisch beeinflusst, wenn das zweite Element gebildet wird, und die ersten beiden Elemente werden durch die LED beeinflusst). Herstellungsprozess des dritten Elements des Sets). Das Vorhandensein selbst einer geringfügigen chemischen Verunreinigung (insbesondere mit Alkalimetallen) kann zu einer erheblichen Verschlechterung der Eigenschaften des Elektrolumineszenzmaterials führen und erhebliche Änderungen der Lumineszenzintensität und der spektralen Eigenschaften verursachen und die Lebensdauer der Vorrichtung verkürzen. Die Maskierungstechnik zum Schutz der Schichten bei der sequentiellen Herstellung von Triadenelementen führt zwangsläufig zu einer Begrenzung der Auflösung des Displays.
Dieses Problem wurde erfolgreich gelöst, indem auf eine maskenlose Technologie zur Herstellung einer dreidimensionalen anstelle einer planaren Struktur umgestellt wurde. Gemäß dieser Technologie werden Triadenelemente in Form von drei- oder vierseitigen Pyramiden hergestellt, die durch Pressen auf ein Kunststoffsubstrat gebildet werden. Auf einer bestimmten Fläche aller Pyramiden der Matrix wird organisches Material durch gerichtete Dampfabscheidung abgeschieden, wodurch Strahlung einer Farbe bereitgestellt wird. Anschließend wird das Substrat um den entsprechenden Winkel (120° oder 90°) gedreht und das Material der nächsten Leuchtfarbe abgeschieden. Auf der vierten Seite wird eine Schicht aus einer der Farben mit reduzierter Helligkeit gebildet, die es ermöglicht, den vom Display wiedergegebenen Farbraum zu erweitern und den Weißabgleich während des Betriebs zu stabilisieren. Dieses Design bietet eine Auflösungssteigerung um fast das Dreifache. Eine Polymerschicht mit Pyramiden und Kontaktlöchern wird auf eine aktivmatrixadressierende Dünnschicht-Feldeffekttransistor-(TFT)-Schaltung aufgebracht, die in Verbindung mit den Höckern auf einem Glassubstrat hergestellt wird. Alle Komponenten der technologischen Route sind bereits ausgearbeitet, und die Entwickler hoffen, recht günstige Displays mit hoher Leistung herzustellen.
Von unzweifelhaftem Interesse sind die Entwicklungen ultradünner organischer Displays. Das Massachusetts Institute of Technology hat eine Technologie zur Herstellung von Displays auf einer nur 100 Mikrometer dicken Kunststoffschicht entwickelt, die sich zu einer Rolle mit einem Radius von 5 mm verdrehen lässt, ohne ihre Eigenschaften zu verändern. Das Bild wird in einer Schicht elektrophoretischer Paste gebildet, die auf das Elektrodengitter auf einem flexiblen Polymersubstrat aufgetragen wird. Die Paste besteht aus Mikrokapseln, die weiße (Titandioxid – ein Standardbestandteil von herkömmlichem Weiß) und schwarze (eine Mischung organischer Farbstoffe) Mikropartikel enthalten, die in geschmolzenem Polyethylen suspendiert sind. Die Hülle der Kapseln wird einer speziellen Behandlung unterzogen, um ihre Transparenz zu gewährleisten. Die durchschnittliche Kapselgröße beträgt etwa 50 Mikrometer. Über der Pastenschicht wird ein Gitter aus transparenten Elektroden aufgebracht. Wenn eine Spannung einer Polarität angelegt wird, bewegen sich die negativ geladenen weißen Partikel zur Oberseite der Kapseln und blockieren die schwarzen Partikel. Dadurch wird die Kapsel weiß. Wenn die Polarität umgekehrt wird, bewegen sich die weißen Partikel zum Boden der Kapsel und ihre Farbe wird schwarz. Die Auflösung eines solchen Displays bestimmt den Rasterabstand der Elektroden und war bereits bei den ersten Mustern vergleichbar mit den Standardwerten für Laserdrucker. Die Leistungsaufnahme eines Displays mit 30 cm Bildschirmdiagonale beträgt 12 mW, die Dauer der Informationswiedergabe bei Wegnahme der Spannung ist nicht begrenzt (bis zur Neuadressierung). Das Bild kann mehr als 107 Mal ohne Leistungseinbußen geändert werden. Auf Basis eines solchen Konstrukts ist es möglich, „elektronisches Papier“ zu erstellen.
Xerox kündigte die Herstellung von Kopierern auf Basis von „elektronischem Papier“ an – ultradünne Displays, die mit der Gyricon-Technologie hergestellt werden, bei der Ölhohlräume mit Kunststoffkugeln verwendet werden. Beim Anlegen einer Spannung richten sich die Kugeln entweder mit der schwarzen oder der weißen Seite relativ zur Oberfläche aus. Zwei AA-Batterien reichen aus, um das Bild wiederzugeben. Die Berichtigung und Aktualisierung der Informationen ist gestattet. Der einzige Nachteil von Displays ist der Schutz vor elektrischen Störungen, insbesondere vor statischer Elektrizität. "Elektronisches Papier" ist wie normales Papier leicht, flexibel und aus jedem Blickwinkel gut lesbar. Darüber hinaus verfügt es über neue Eigenschaften wie die Möglichkeit, Informationen mehrere tausend Mal zu aktualisieren und einen elektronischen Zeiger zu verwenden. Laut Xerox-Spezialisten wird der Preis für solches Papier 25 Cent pro A4-Blatt nicht überschreiten.

ORGANISCHE DÜNNSCHICHT-TRANSISTOREN
Bei der Herstellung von Displays ist die gemeinsame Bildung von TFTs durch herkömmliche Technologie und organische LEDs aufgrund von Hochtemperaturprozessen schwierig, die eine Verschlechterung der Eigenschaften organischer Materialien verursachen. Auf organischen Materialien basierende TFTs können bei niedrigeren Temperaturen hergestellt werden und gleichzeitig können billige Kunststoffsubstrate anstelle von teuren Glassubstraten verwendet werden, was die Kosten des gesamten Produkts erheblich reduziert. Die Entwicklung der organischen TFT-Technologie eröffnet große Möglichkeiten zur Herstellung ultraleichter und ultraflacher Displays mit hoher Flexibilität und Festigkeit. Die Lösung der technologischen Probleme bei der Herstellung von TFTs auf der Basis organischer Materialien wird es ermöglichen, alle Anzeigeelemente mit ähnlichen technologischen Verfahren herzustellen, was die Produktionskosten senken und die Heterogenität der verwendeten Ausrüstung verringern wird. Moderne organische TFTs stehen in ihren Eigenschaften Standard-TFTs auf amorphen Siliziumschichten in nichts nach. Die typische Struktur von organischem TPT ist in Fig. 2 gezeigt.
Ein Prototyp-TFT auf Pentacen mit einer Gate-Länge und -Breite von 5 bzw. 500 µm und einer Dicke des Gate-Dielektrikums von 140 nm hatte eine Schwellenspannung von 10 V und eine Sättigungsdriftmobilität von 1,7 cm2/V.s (ein Rekordergebnis für organische Transistoren). Um den Leckstrom zwischen einzelnen TFTs zu reduzieren, wird eine spezielle Corbino-Topologie verwendet, bei der die Source-Elektrode einen geschlossenen Ring um den TFT-Aktivbereich bildet, in dessen Mitte sich die Drain-Elektrode befindet. Bei diesem Design steuert das Gate den gesamten Strom, der vom Drain zur Source fließt, was ein Ein-zu-Aus-Stromverhältnis von ~108 sowie niedrige Leckströme bietet (der Sperrstrom liegt nahe am Rauschpegel). ).
Somit kann festgestellt werden, dass das technologische Problem, Informationsanzeigevorrichtungen vollständig aus organischen Materialien zu bilden, bereits heute gelöst ist.

OPTOELEKTRONIK UND LASERTECHNOLOGIE
Fortschritte bei der Herstellung von organischen LEDs und Informationsanzeigesystemen regen auch die Entwicklung von Geräten mit elektrischer Erregung auf der Basis von organischen Polymeren an, einem der vielversprechendsten Materialien für die Herstellung neuer Arten optoelektronischer integrierter Schaltkreise. Die Hauptvorteile solcher ICs sind ihre niedrigen Kosten und ihre ziemlich einfache Technologie, die für die Beherrschung der Massenproduktion geeignet ist. Forschung auf diesem Gebiet wird von vielen Firmen in den USA, Deutschland, Österreich und Italien durchgeführt. Und heute werden industrielle Polymerfasern bereits in standardisierten hybriden optoelektronischen Schaltungen verwendet.
Mehr als ein Dutzend Polymere mit Halbleitereigenschaften, die für die Lasererzeugung im gesamten sichtbaren Bereich geeignet sind, wurden untersucht. Von besonderem Interesse für Entwickler sind konjugierte Polymere mit Seitenketten, da die Seitenketten die Breite des Energiebandes bestimmen, d.h. Strahlungswellenlänge. Aufgrund der hohen Extinktion der erzeugten Strahlung (Folien mit einer Dicke von nur 0,1 μm absorbieren 90 % der Strahlung), der schwachen Abhängigkeit der Photolumineszenz-Quanteneffizienz von der Menge an aktivem Polymer im Resonator und der großen Energieverschiebung dazwischen die Absorptions- und Emissionsspektren (was es einfach macht, Besetzungsinversion zu erreichen), konjugierte Polymere selbst bei geringen Dicken, sie sind für die Bildung eines aktiven Lasermediums geeignet. Die hohe Löslichkeit von konjugierten Polymeren mit Seitenketten in üblichen organischen Lösungsmitteln vereinfacht die Technologie des Abscheidens und Bildens der notwendigen topologischen Schichtstrukturen erheblich, einschließlich der traditionellen Verfahren der Photolithographie, die in der Mikroelektronik gut entwickelt sind.
Eines der schwerwiegendsten Probleme bei der Herstellung von Geräten mit elektrischer Erregung auf Polymerfilmen ist die hohe Dichte des Erzeugungsschwellenstroms (~1 kAChcm2). Es wird gelöst, indem eine verteilte Rückkopplung und ein verteilter Bragg-Reflektor (DRB) eingeführt werden, um den Qualitätsfaktor des Resonators zu erhöhen. ROB erfüllt die Funktion eines Resonatorspiegels. Es wird durch abwechselnde Polymerschichten unterschiedlicher Dicke mit niedrigen und hohen Werten des Brechungsindex gebildet. Da die Länge des Resonators abhängig von der Wellenlänge der Strahlung variiert, kann ein ROB mit einem ähnlichen Aufbau eine Multimodenerzeugung unterstützen.
Ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von Polymeren in der Lasertechnik ist der erste elektrisch angeregte Laser aus organischem Material von Lucent Technologies, der für die industrielle Produktion geeignet ist. Es wird auf Tetracenkristallen hergestellt, deren Moleküle vier Benzolringe enthalten. Die Feldstruktur (ein 25 µm breiter und 200–400 µm langer Kanal) wurde auf 1–10 µm dicken Tetracenschichten erzeugt, die durch Dampfabscheidung auf einem dielektrischen Substrat in einem Inertgasstrom erhalten wurden. Als Dielektrikum wurde eine Schicht aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,15 µm verwendet, die Steuerelektroden bestanden aus Aluminium-dotiertem Zinkoxid. Die Struktur ist ein planarer Multimode-Wellenleiter mit einem internen Gesamtverlust von ~100 cm-2. Der Laserresonator wurde durch Spaltung eines Tetracen-Kristalls unter Bildung von Facetten mit einem Reflexionskoeffizienten von ~8% gebildet. Bei einer hohen Dichte des Injektionsstroms im Resonator wurde während des Betriebs im Multimode-Modus eine Kanalisierung von Strahlung bei einer Wellenlänge von 575,7 nm mit Verstärkung beobachtet. Bei Raumtemperatur arbeitete der Laser im Pulsmodus und bei 200 K im Dauerstrichmodus. Mit einer Verringerung der Reflexionsverluste aufgrund der Einführung von Distributed Feedback und ROB ist ein Betrieb im kontinuierlichen Modus und bei Raumtemperatur möglich. Der Vorteil des Lasers ist die Möglichkeit der Frequenzabstimmung, da das Emissionsspektrum von Tetracen recht breit ist.
Auf organischen Materialien basierende Laser sind viel billiger als Halbleiterlaser, und eine große Auswahl an Materialien ermöglicht es, einen signifikanten Spektralbereich abzudecken. Es ist sicher vorherzusagen, dass solche Laser in naher Zukunft breite Anwendung in optischen Speichern und Laserdruckern finden werden.

INDUSTRIELLE ENTWICKLUNG DER POLYMERTECHNOLOGIE
Bei aller Heterogenität der verwendeten polymeren Materialien sind die meisten Arbeitsgänge zur Erstellung von Vorrichtungen und Strukturelementen ähnlich aufgebaut und lassen sich weitgehend vereinheitlichen. Zu diesen Vorgängen gehören zunächst die Abscheidungsprozesse (Deposition) von Polymerschichten und die Formgebungsprozesse. Es wurde bereits oben angedeutet, dass für die meisten Dünnfilm- und Dickfilmmaterialien gut etablierte Prozesse der Dampfabscheidung, des Siebdrucks und der Lithographie (für lösliche Zusammensetzungen) verwendet werden können.
Einen revolutionären Ansatz zur Technologieentwicklung für die Massenproduktion elektronischer Geräte auf Basis organischer Filme demonstrierte das kalifornische Unternehmen Rolltronics. Gemäß seiner Rolle-zu-Rolle-Technologie (von Spule zu Spule) wird im Produktionszyklus des Förderers eine große Spule mit flexiblem Kunststoff verwendet, die die Rolle des Substrats des zukünftigen Geräts spielt (Abb. 3). Die Länge des Kunststoffbandes beträgt mehr als 300 m und die Breite kann 1 m überschreiten.Das sequentielle Auftragen und Bilden der Schichten erfolgt in spezialisierten Verarbeitungskammern, die die Umsetzung des gesamten technologischen Zyklus gewährleisten. Die Entwickler glauben, dass sie in der Lage sein werden, Strukturen bei Temperaturen von nicht mehr als 100–125 °C zu bilden, was den Einsatz modernster Polymermaterialien ermöglicht.
Gemeinsam mit Iowa Thin Film Technologies plante Rolltronics die Inbetriebnahme einer Rolle-zu-Rolle-Produktionslinie bis Ende 2001. Das Hauptelement zukünftiger Designs, ein Dünnschichttransistor, wurde als "Stifttest" ausgewählt. Neben TFTs beabsichtigt das Unternehmen, Speicherschaltungen, Leistungsbauelemente und Anzeigeelemente sowie alle Komponenten von elektronischen Büchern und elektronischem Papier herzustellen. Die Rolle-zu-Rolle-Technologie eignet sich zum Formen von Flachbildschirmen, LED-Beleuchtungs- und Informationstafeln, Solarzellen, optoelektronischen Geräten und Halbleiterlasern. Vertreter des Unternehmens bezeichnen diese Technologie als Durchbruch in die Zukunft und betonen ihre extrem hohe Effizienz und Produktivität, die den Übergang zur Massenproduktion neuer Arten von elektronischen Geräten ermöglichen und deren Kosten drastisch senken werden.

ENTWICKLUNGSPERSPEKTIVEN
Die verwendeten physikalischen Prinzipien und die Technologie der „Polymerelektronik“ sind der erste natürliche Schritt in Richtung Molekularelektronik. Dies erklärt sich dadurch, dass im Gegensatz zur klassischen Festkörperelektronik, wo die Eigenschaften eines kristallinen Körpers betrachtet werden und in dessen Volumen aktive Strukturen ausgebildet werden, bei der Verwendung von Polymeren die Berücksichtigung der Eigenschaften von Molekülen. Beim Übergang zur echten Molekularelektronik, wenn einzelne Moleküle bereits als aktives Element fungieren, besteht die Hauptaufgabe darin, eine technologische Methode für den punktuellen (lokalen) Aufprall auf ein Molekül zu wählen und seine chemische Primärstruktur zu ändern. Wenn ein technologisches Werkzeug nicht in der Lage ist, das ursprüngliche molekulare System auf atomarer Ebene lokal zu modifizieren, sollten natürlich Methoden zu dessen Selbstaufbau und Selbstregulierung entwickelt werden, wie dies in der Natur im Lebenszyklus von Viren und Bakteriophagen geschieht. Dazu gehören in erster Näherung das Langmuir-Blodgett-Verfahren zur Gewinnung von Monolagenfilmen oder das Verfahren der selbstorganisierten Monolagen von Oligomeren auf einem Metallsubstrat (Self-assembled monolayers - SAM). Diese Verfahren können bedingt in Analogie zur Technologie der Festkörpervorrichtungen der "Einzelschicht" -Epitaxie zugeordnet werden.
Eine der Optionen für den Übergang zur molekularen Elektronik ist die „Hybrid“-Technologie, bei der „molekulare Elemente“ mit Methoden der klassischen Elektronik verwendet werden. Ein Beispiel für eine solche kombinierte Technologie ist die von IBM vorgeschlagene konstruktive Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren zur Herstellung von Transistoren, die 500-mal kleiner sind als moderne Siliziumgeräte. Außerdem können sie in Abwesenheit von Sauerstoff einer Erwärmung auf bis zu 1000 °C standhalten.
Moderne Mittel zur Modifikation und Kontrolle atomarer Strukturen - Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Rastertunnelmikroskopie (STM) - können die technologischen Anforderungen auf atomarer Ebene erfüllen. Aber leider sind sowohl AFM als auch STM sequentielle Methoden mit nicht sehr hoher Leistung und werden in naher Zukunft nur als Laborwerkzeug verwendet. Dennoch wurden mit Hilfe von AFM und STM erstmals molekularelektronische Geräte erfolgreich hergestellt. Diese Methoden ermöglichen es auch, das schwierigste Problem beim Zusammenbau molekularelektronischer Bauelemente zu lösen - die Bildung von Kontakten. Theoretische Modelle von AFM- und STM-Methoden zur Strukturbildung und Messungen werden noch entwickelt, und viele weitere Entdeckungen sind hier zu erwarten. Der industrietauglichen Umsetzung molekularelektronischer Methoden steht jedoch die Zukunft bevor.

FAZIT
All dies zeigt, dass die Elektronik kurz vor einer „Polymer“-Revolution steht. In den nächsten drei bis fünf Jahren wird es möglich sein, Elektronik als Tapete zu „drucken“. Solche „Tapeten“ aus Kunststoff werden verwendet, um vollfarbige Bildschirme und Displays, Solarbatterien und weiße LED-Leuchtpaneele, elektronisches Papier und vieles mehr herzustellen. Neue elektronische Produkte auf Basis von Polymermaterialien, die im nächsten Jahrzehnt erscheinen werden, werden die Betriebsbedingungen elektronischer Geräte revolutionieren, die Möglichkeiten der Informationstechnologie erweitern und die Voraussetzungen für den Übergang zu neuen Organisations-, Bildungs-, Lebens- und Unterhaltungsprinzipien schaffen . Die Aufgabe der russischen Elektronik ist es, diesen Durchbruch nicht zu „verpassen“ und sich würdig an der Entwicklung der Polymerelektronik zu beteiligen.

Literatur
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Ausländische Elektroniktechnik, 2000, Heft 1, p. 66–72.

Beitrag zum Wettbewerb „bio/mol/text“: Wissenschaftler träumen schon lange davon, Tiere und Pflanzen in Cyborgs zu verwandeln, die von elektrischen Signalen gesteuert werden, und versuchen dies auf vielfältige Weise. So entstand vor etwa 10 Jahren ein neues Wissenschaftsgebiet – die organische Bioelektronik – in dem elektrisch leitfähige Polymere als Vermittler zwischen Lebewesen und Computern fungieren. Fernsteuerung von Rosenblattfarbe, künstlichem Neuron und Schmerzpunktbehandlung – die ersten Ergebnisse dieser Dreierallianz können sich bereits sehen lassen.

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Der Sponsor der Veröffentlichung dieses Artikels ist Andrey Alexandrovich Kiselev.

Alle lebenden Organismen sind ein bisschen Roboter oder Computer. Nur statt der üblichen Elektrizität – Elektronen, die durch die Drähte zum Ausgang und zurück laufen – werden wir von Nervenimpulsen gesteuert, Ströme geladener Moleküle, die Ionen genannt werden. Und die „Knöpfe“ in stromführenden Stromkreisen werden nicht mit den Fingern gedrückt, sondern mit speziellen Substanzen - Neurotransmittern. Wenn ihre Konzentration eine bestimmte Grenze überschreitet, beginnt in den Zellmembranen von Neuronen eine Kette biochemischer Reaktionen, die mit der Erregung eines Nervenimpulses endet.

Jetzt versuchen Wissenschaftler, die Computer in uns mit bekannten Silizium-Mikroschaltkreisen zu „verheiraten“: Gehirn-Computer-Schnittstellen wissen bereits, wie sie die Aktivität von Nervenzellen erkennen und in sinnvolle Befehle für die Elektronik umwandeln können. Mithilfe der Gedankenkraft können Sie also einfache Spiele spielen, eine Roboterarmprothese bewegen oder sogar einen Quadrokopter steuern. Alle diese Geräte leiden jedoch immer noch unter Fehlern und Ungenauigkeiten - es ist nicht einfach, elektronische und ionische Ströme in einem Gerät zu kreuzen.

„Übersetzer“ von der lebendigen Sprache in die Sprache der Mikroschaltkreise können elektrisch leitfähige Polymere sein, die beide Stromarten gleichzeitig leiten (Abb. 1). Diese in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts entdeckten Materialien wurden von vielen Wissenschaftlern aktiv untersucht: Sie wurden zur Herstellung von Transistoren, Solarzellen, organischen Leuchtdioden (OLED) und anderen organischen elektronischen Geräten verwendet.

Abbildung 1. Schematische Darstellung von organischen ( rechts) und anorganisch ( links) Halbleiter in Kontakt mit einem Elektrolyten. Die Größe geladener Ionen ist viel größer als die Abstände zwischen Atomen in anorganischen Halbleitern, und daher ist eine Ionenleitung in diesen Materialien unmöglich. Gleichzeitig sind die charakteristischen Größen von Hohlräumen zwischen den Ketten von Makromolekülen konjugierter Polymere vergleichbar mit den Größen von hydratisierten Ionen, und daher ist in dieser Klasse von Verbindungen eine Ionenleitfähigkeit möglich.

Nun versucht die organische Bioelektronik die Vorteile elektrisch leitfähiger Polymere – Flexibilität, Einfachheit und Variabilität der Synthese, sowie Biokompatibilität und Ionenleitfähigkeit – zu nutzen – ein sehr junges Gebiet der Materialwissenschaften, das bereits einiges zu bieten hat.

Diagnose von innen

Die Funktionsweise vieler Gehirn-Computer-Schnittstellen basiert auf der EEG-Ableitung: Auf dem Kopf einer Person wird eine Kappe mit Elektroden befestigt, in der unter dem Einfluss von im Gehirn fließenden Ionenströmen eigene elektronische Ströme entstehen. In einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2013 schlugen Wissenschaftler aus Frankreich vor, organische elektrochemische Transistoren für den gleichen Zweck zu verwenden.

Gewöhnliche Halbleitertransistoren sind die Hauptbestandteile aller elektrischen Logikschaltungen, eine Art elektronischer Taster mit drei Kontakten. Der relativ große Strom, der in ihnen von einem Pin zum anderen fließt, kann durch ein kleines Signal (viel weniger Strom oder Spannung im Fall eines FET) gesteuert werden, das an den dritten Pin angelegt wird. Durch Zusammenbau vieler Transistoren in einem Schaltkreis ist es möglich, beliebige elektrische Signale zu verstärken, zu dämpfen und umzuwandeln, also Informationen zu verarbeiten.

Ähnlich funktionieren organische Transistoren, mit denen die Forscher bei lebenden Labormäusen epileptische Aktivität aufzeichneten. Der dritte Steuerstift in diesem Transistor bestand aus einem leitfähigen Polymer und wurde direkt in das Gehirn des Nagetiers injiziert. Mit Schwankungen der elektrischen Aktivität von Nervenzellen veränderte das Polymer seine Struktur (und damit seine Leitfähigkeit), sodass schon kleine charakteristische Änderungen der Ionenströme im „Cyborg“-Gehirn zu merklichen Veränderungen im Gehirn führten Strom, der vom Eingangskontakt des Transistors zum Ausgang fließt (Abb. 2). ).

Figur 2. in vivo Registrierung der elektrischen Aktivität des Gehirns mit organischen Transistoren. rosa die Farbe zeigt die Abhängigkeit, die mit Hilfe eines organischen elektrochemischen Transistors aufgenommen wurde, blau- Kunststoffelektrode, Schwarz- Metallelektrode. Bitte beachten Sie, dass die letzten beiden Elektroden ein elektrisches Signal durch Potentialsprünge registrieren und der Transistor - durch Stromsprünge in einem elektrisch leitenden Kanal.

Die Franzosen zeigten in ihrem Experiment, dass organische Transistoren es ermöglichen, die elektrische Aktivität des Gehirns viel genauer aufzuzeichnen als ihre modernen anorganischen Pendants. In den Experimenten anderer wissenschaftlicher Gruppen werden organische Transistoren erfolgreich eingesetzt, um ein EKG aufzunehmen oder beispielsweise die Konzentration von Milchsäure, Glukose und anderen Biomolekülen zu bestimmen.

plastische Neuronen

Heutzutage werden neurologische und psychiatrische Erkrankungen hauptsächlich mit Hilfe von Medikamenten behandelt, aber es kann sehr schwierig sein, ihre Dosierung zu wählen, das Medikament genau an bestimmte Zellen abzugeben und gleichzeitig seine Nebenwirkungen auf verschiedene Prozesse im Körper zu berücksichtigen . Ein großes Team schwedischer Wissenschaftler aus mehreren Instituten schlug vor, diese Probleme mit denselben elektrisch leitfähigen Polymeren zu lösen, oder besser gesagt, mit einem anderen organischen bioelektronischen Gerät - einer organischen elektronischen Ionenpumpe, die Ionen von einem Medium in ein anderes pumpen kann.

In ihrer Arbeit untersuchten die Forscher Laborratten, bei denen sie zunächst neuropathische Schmerzen verursachten (deren Ursache kein äußerer Reiz, sondern die gestörte Arbeit der Neuronen selbst ist) und diese dann mit Hilfe einer punktuellen Injektion eines Neurotransmitters behandelten GABA (Gamma-Aminobuttersäure), was die Reizung des zentralen Nervensystems reduziert. Eine organische Miniaturpumpe (etwa 12 cm lang und 6 mm im Durchmesser) wurde in das Rückenmark von Ratten injiziert, und ihr Reservoir wurde mit GABA gefüllt (Abb. 3). Durch das Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung begannen GABA-Moleküle durch vier ionenleitende Polymerkanäle in den Interzellularraum auszutreten (Video 1).

Abbildung 3. Implantierbare organische elektrochemische Pumpe. A - ein Foto des Geräts, B - eine schematische Darstellung des Geräts, links - ein elektrischer Kontakt, in der Mitte - ein Reservoir mit GABA, rechts - Ausscheidungskanäle. Die Gesamtlänge des Gerätes beträgt 120 mm, der Tankdurchmesser 6 mm. C - vier organische elektrochemische Ausgänge befinden sich an den Stellen, an denen die Äste des Ischiasnervs in das Rückenmark eintreten.

Video 1. Organoelektronische Ionenpumpe

Als Ergebnis verschwanden Schmerzen bei Ratten (dies wurde mit einem Tasttest überprüft: Elastische Fäden unterschiedlicher Steifigkeit wurden an die Pfoten von Ratten gebracht und es wurde überwacht, ab welchem ​​Druck das Tier die Pfote zurückziehen würde) und es traten keine Nebenwirkungen auf beobachtet. Bei allen anderen Methoden zur Behandlung von neuropathischen Schmerzen mit GABA wird das Medikament in hoher Dosis in das Rückenmark gespritzt, die sich im gesamten Nervensystem verteilt und neben der Schmerzunterdrückung zu Gehstörungen, Lethargie und anderen Nebenwirkungen führt .

Parallel zu dieser Arbeit stellte dieselbe Forschergruppe das erste künstliche Neuron auf Polymerbasis her. Darin wurde die Ionenpumpe mit empfindlichen Biosensoren kombiniert Glutaminsäure(der häufigste exzitatorische Neurotransmitter) und Acetylcholin(ein Neurotransmitter, der ein Signal von Neuronen an Muskelgewebe überträgt). In einem der Experimente überwachte beispielsweise ein „Plastik“-Neuron den Glutamatspiegel in einer Petrischale, und wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wurde, wurde darin ein Strom angeregt, der das Reservoir einer Ionenpumpe öffnete, die Acetylcholin freisetzte in die Umwelt.

Die Arbeit eines künstlichen Neurons ist der Funktionsweise echter sehr ähnlich: In einem von ihnen wird ein Nervenimpuls angeregt und durchläuft die gesamte Zelle bis zur Kontaktstelle mit einem anderen Neuron, dort wird Glutaminsäure freigesetzt, die sozusagen entsteht , drückt einen Knopf und erregt das nächste Neuron (Abb. 4) . Entlang der Neuronenkette erreicht der Impuls also die Muskelzelle, die bereits nicht durch Glutaminsäure, sondern durch Acetylcholin angeregt wird. Das von den Schweden geschaffene Plastikneuron könnte diese Aktionen wiederholen und Signale an andere Zellen übertragen. Im Experiment waren dies SH-SY5Y-Neuroblastomzellen, deren Aktivierung durch charakteristische Konzentrationserhöhungen von Ionen bei der Bindung von Acetylcholinrezeptoren überwacht wurde.

Abbildung 4. Das Schema zur Umwandlung eines chemischen Signals in ein elektrisches Signal und zurück in einem künstlichen Polymerneuron ist identisch mit dem Funktionsschema eines lebenden Neurons. Biosensor ( grün dargestellt) reagiert auf eine Erhöhung der Konzentration eines Neurotransmitters ( orangefarbene Punkte), der einen Elektronenfluss erzeugt, der eine organische elektrochemische Pumpe anregt ( in blau dargestellt) Freisetzung eines anderen Neurotransmitters ( blaue Punkte).

Von elektronischen Rosen bis zur grünsten Energie

Forschung an Mäusen, Ratten und anderen Versuchstieren muss mit Ethikkommissionen abgestimmt werden, und deshalb lassen sich die gewagtesten Experimente in der organischen Bioelektronik leichter auf Pflanzen übertragen. So stellte dieselbe schwedische Gruppe Ende 2015 die erste Cyborg-Rose her. Sie weiß zwar immer noch nicht, wie man etwas Spektakuläres macht – weder auf Knopfdruck auf dem Bedienfeld öffnen, noch ihre Farbe je nach Luftfeuchtigkeit der Umgebung ändern, noch die Welt einfangen, aber die Forscher haben es trotzdem geschafft etwas Interessantes zu tun.

Im ersten Experiment wurde eine geschnittene Rose in Wasser mit einem gelösten elektrisch leitfähigen Polymer gelegt, das am Stiel aufstieg und einen leitfähigen Kanal in der Rose bildete. Als nächstes brachten die Wissenschaftler elektrische Kontakte an die Enden des Kanals und führten eine Steuerelektrode in den Griff ein – einen mit einem leitfähigen Polymer beschichteten Golddraht. Also sollte eine Art organischer Transistor in der Rose sein. Gleichzeitig könnten mehrere Steuerelektroden gleichzeitig an einen Kanal angeschlossen und eine einfache Logikschaltung realisiert werden, durch die der Strom nur fließt, wenn an beide Golddrähte bestimmte Steuerspannungen angelegt werden.

Im zweiten Experiment wurde eine wässrige Lösung eines anderen elektrisch leitfähigen Polymers, das seine Farbe ändern kann, wenn eine äußere Spannung angelegt wird, mit einer Spritze in Rosenblätter gepumpt. Elektroden wurden an das Blatt gebracht, der Strom wurde eingeschaltet und - voila: Die Adern des Blattes nahmen eine bläulich-grüne Färbung an. Es war das in sie injizierte Polymer, das von farblos nach blau wechselte (Video 2). Zur gleichen Zeit, als die Spannung entfernt wurde, nahm das Blatt wieder eine gesunde grüne Farbe an.

Wissenschaftler haben also gezeigt, dass man mit Hilfe einfacher Techniken in Pflanzen einfache elektronische Schaltungen erstellen kann. Dadurch wird es in Zukunft möglich sein, ihre Physiologie zu steuern und beispielsweise höhere Erträge ohne gentechnische Veränderungen zu erzielen oder sogar winzige Kraftwerke mit der Energie der Photosynthese herzustellen. Natürlich klingt es jetzt zu teuer, aber eines Tages wird es die organische Bioelektronik ermöglichen, jede Pflanze punktuell zu kontrollieren und nicht die gesamte Population auf einmal.

Bioelektronische Zukunft

Die ersten Experimente haben gezeigt, dass organische bioelektronische Geräte durchaus in der Lage sind, bioelektrische Signale zu empfangen, zu übertragen und zu verarbeiten. Was weiter? Jetzt haben sie gelernt, Polymermaterialien biokompatibel und biologisch abbaubar zu machen, und daher kann jeder lebende Organismus buchstäblich mit darauf basierenden Chips vollgestopft werden. Es bleibt ihnen nur noch beizubringen, wie man Informationen drahtlos überträgt, und innerhalb des menschlichen Körpers wird es möglich sein, ein lokales Netzwerk von Sensoren zu schaffen, die ständig verschiedene medizinische Indikatoren wie Glukosespiegel, Herzfrequenz und elektrische Aktivität ausgewählter Neuronen überwachen übertragen dann ihre Signale an implantierte medizinische Roboter, die auf denselben ionischen Sensoren basieren Pumpen, damit sie beginnen, sich mit dem Problem zu befassen.

Wem die Vorstellung, so ein Cyborg zu werden, gar nicht gefällt, der kann einfach eine Tablette mit eingebautem flexiblem Mikroschaltkreis schlucken – anhand von Säuregrad, Temperatur und Konzentration verschiedener Substanzen wird genau berechnet, wo die freigesetzt werden soll Medizin, und nachdem wir eine gute Tat getan haben, wird sie einfach wie ein Stück Zucker in uns verdaut.

Einführung

1965, zu Beginn des Computerzeitalters, sagte Gordon Moore, Forschungsdirektor bei Fairchild Semiconductors, voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip jedes Jahr verdoppeln würde. Es ist 35 Jahre her und Moores Gesetz gilt immer noch. Zwar hat die Praxis der mikroelektronischen Produktion im Laufe der Zeit eine geringfügige Änderung vorgenommen: Heute wird angenommen, dass die Anzahl der Transistoren alle 18 Monate verdoppelt wird. Diese Wachstumsverlangsamung wird durch die Komplexität der Mikrochiparchitektur verursacht. Und doch kann Moores Vorhersage für die Siliziumtechnologie nicht ewig gelten.

Aber es gibt noch eine weitere grundlegende Einschränkung des "Mooreschen Gesetzes". Die Erhöhung der Dichte der Elemente auf dem Chip wird durch eine Verringerung ihrer Größe erreicht. Sogar heute kann der Abstand zwischen Prozessorelementen 0,13 × 10 –6 Meter betragen (die sogenannte 0,13-Mikron-Technologie). Wenn die Größe von Transistoren und der Abstand zwischen ihnen mehrere zehn Nanometer erreichen, treten die sogenannten Größeneffekte in Kraft – physikalische Phänomene, die den Betrieb herkömmlicher Siliziumgeräte vollständig stören. Darüber hinaus steigt mit abnehmender Dicke des Dielektrikums in Feldeffekttransistoren die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen es passieren, was ebenfalls den normalen Betrieb von Geräten verhindert.

Eine andere Möglichkeit, die Leistung zu verbessern, besteht darin, andere Halbleiter anstelle von Silizium zu verwenden, beispielsweise Galliumarsenid (GaAs). Aufgrund der höheren Mobilität von Elektronen in diesem Material ist es möglich, die Geschwindigkeit von Geräten um eine Größenordnung zu erhöhen. Technologien auf Basis von Galliumarsenid sind jedoch viel komplizierter als solche aus Silizium. Obwohl in den letzten zwei Jahrzehnten beträchtliche Mittel in die Untersuchung von GaAs investiert wurden, werden darauf basierende integrierte Schaltungen daher hauptsächlich im militärischen Bereich verwendet. Ihre hohen Kosten werden dabei durch geringen Stromverbrauch, hohe Geschwindigkeit und Strahlungsresistenz kompensiert. Die Entwicklung von Bauelementen auf der Basis von GaAs unterliegt jedoch weiterhin Einschränkungen aufgrund sowohl grundlegender physikalischer Prinzipien als auch der Herstellungstechnologie.

Deshalb suchen heute Spezialisten auf verschiedenen Gebieten der Wissenschaft und Technik nach alternativen Wegen zur Weiterentwicklung der Mikroelektronik. Einen Weg zur Lösung des Problems bietet die Molekularelektronik.

MOLEKULARELEKTRONIK – ZUKUNFTSTECHNOLOGIE.

Die Möglichkeit, molekulare Materialien und einzelne Moleküle als aktive Elemente der Elektronik zu verwenden, zieht seit langem die Aufmerksamkeit von Forschern auf verschiedenen Gebieten der Wissenschaft auf sich. Doch erst in jüngster Zeit, als die Grenzen der potenziellen Möglichkeiten der Halbleitertechnologie praktisch greifbar geworden sind, ist das Interesse an der molekularen Ideologie des Aufbaus der Grundelemente der Elektronik in den Mainstream aktiver und zielgerichteter Forschung gerückt, der heute zu einem geworden ist die wichtigsten und vielversprechendsten wissenschaftlichen und technischen Bereiche der Elektronik.

Weitere Perspektiven für die Entwicklung der Elektronik sind mit der Schaffung von Geräten verbunden, die Quantenphänomene nutzen, bei denen bereits Einheiten von Elektronen berücksichtigt werden. In letzter Zeit wurden in großem Umfang theoretische und experimentelle Studien zu künstlich erzeugten niederdimensionalen Strukturen durchgeführt; Quantenschichten, Drähte und Punkte. Es wird erwartet, dass die in diesen Systemen beobachteten spezifischen Quantenphänomene die Grundlage für die Schaffung eines grundlegend neuen Typs elektronischer Geräte bilden können.

Der Übergang auf die Quantenebene ist zweifellos eine neue, wichtige Etappe in der Entwicklung der Elektronik, da ermöglicht es Ihnen, mit fast einzelnen Elektronen zu arbeiten und Speicherelemente zu erstellen, in denen ein Elektron einer Information entsprechen kann. Die Herstellung künstlicher Quantenstrukturen ist jedoch eine sehr schwierige technologische Aufgabe. In letzter Zeit hat sich gezeigt, dass die Realisierung solcher Strukturen bereits bei der Erstellung von Einzelelementen mit großen technologischen Schwierigkeiten verbunden ist und bei der Erstellung von Chips mit mehreren Millionen Elementen unüberwindbare Schwierigkeiten auftreten. Der Ausweg aus dieser Situation ist nach Ansicht vieler Forscher der Übergang zu einer neuen Technologie - der Molekularelektronik.

Die grundsätzliche Möglichkeit, einzelne Moleküle als aktive Elemente der Mikroelektronik zu nutzen, wurde bereits 1957 von Feynman zum Ausdruck gebracht. Später zeigte er, dass quantenmechanische Gesetze kein Hindernis für die Herstellung von elektronischen Geräten in Atomgröße sind, solange die Informationsaufzeichnungsdichte 1 Bit/Atom nicht überschreitet. Doch erst mit dem Aufkommen der Arbeiten von Carter und Aviram begann man über Molekularelektronik als neues interdisziplinäres Gebiet zu sprechen, das Physik, Chemie, Mikroelektronik und Informatik umfasste und darauf abzielte, die Mikroelektronik auf eine neue Elementbasis zu übertragen - molekulare elektronische Geräte.

Dies legt definitiv eine Analogie zur Entwicklungsgeschichte von Präzisionszeitgeräten nahe, die von mechanischen Chronometern mit verschiedenen Arten von Pendeln über Quarzuhren auf der Grundlage von Festkörperresonanzen bis hin zu den heute genauesten Uhren gegangen sind, die intramolekulare Effekte in Ammoniak nutzen Moleküle usw. In ähnlicher Weise entwickelt sich die Elektronik, die von mechanischen elektromagnetischen Relais und Vakuumröhren zu Festkörpertransistoren und Mikroschaltkreisen übergegangen ist und heute die Schwelle erreicht hat, hinter der das Gebiet der Molekulartechnologie liegt.

Es ist kein Zufall, dass das Hauptaugenmerk auf molekularen Systemen lag. Erstens ist ein Molekül eine ideale Quantenstruktur, die aus einzelnen Atomen besteht, deren Bewegung von Elektronen entlang durch quantenchemische Gesetze bestimmt wird und die natürliche Grenze der Miniaturisierung darstellt. Ein weiteres, nicht weniger wichtiges Merkmal der Molekulartechnologie ist, dass die Herstellung solcher Quantenstrukturen dadurch erheblich erleichtert wird, dass ihre Herstellung auf dem Prinzip der Selbstorganisation basiert. Die Fähigkeit von Atomen und Molekülen, sich unter bestimmten Bedingungen spontan zu vorbestimmten Molekülformationen zu verbinden, ist ein Mittel zur Organisation mikroskopischer Quantenstrukturen; Der Umgang mit Molekülen bestimmt die Art und Weise ihrer Entstehung. Die Synthese eines molekularen Systems ist der erste Akt der Selbstorganisation der entsprechenden Geräte. Dadurch wird die Identität der zusammengesetzten Ensembles und dementsprechend die Identität der Dimensionen der Elemente und damit die Zuverlässigkeit und Effizienz von Quantenprozessen und das Funktionieren von molekularen Geräten erreicht.

Von Beginn der Entwicklung des molekularen Ansatzes in der Mikroelektronik an blieb die Frage nach den physikalischen Prinzipien der Funktionsweise molekularelektronischer Bauelemente offen. Daher konzentrierten sich die Hauptanstrengungen auf ihre Suche, wobei das Hauptaugenmerk auf einzelne Moleküle oder Molekülensembles gerichtet wurde. Trotz einer Vielzahl von Arbeiten in diese Richtung ist die praktische Umsetzung molekularer Bauelemente noch lange nicht abgeschlossen. Einer der Gründe dafür ist, dass besonders in der Anfangsphase der Entstehung der molekularen Elektronik ein starker Schwerpunkt auf die Arbeit einzelner Moleküle gelegt wurde, die Suche und Herstellung von bistabilen Molekülen, die Triggereigenschaften nachahmen. Natürlich ist dieser Ansatz im Hinblick auf die Miniaturisierung sehr attraktiv, aber er lässt wenig Chancen, dass in naher Zukunft molekularelektronische Geräte hergestellt werden können.

Die Entwicklung eines neuen Ansatzes in der Mikroelektronik erfordert die Lösung einer Reihe von Problemen in drei Hauptbereichen: die Entwicklung physikalischer Prinzipien für das Funktionieren elektronischer Geräte; Synthese neuer Moleküle, die Informationen speichern, übertragen und umwandeln können; Entwicklung von Methoden zur Organisation von Molekülen in einem supramolekularen Ensemble oder einem molekularen elektronischen Gerät.

Derzeit wird intensiv nach den Konzepten der Entwicklung der Molekularelektronik und den physikalischen Funktionsprinzipien gesucht und die Grundlagen für den Aufbau von Grundelementen entwickelt. Die Molekularelektronik entwickelt sich zu einem neuen interdisziplinären Wissenschaftsgebiet, das Festkörperphysik, Molekülphysik, organische und anorganische Chemie kombiniert und darauf abzielt, elektronische Bauelemente auf eine neue Elementbasis zu übertragen. Um die gestellten Aufgaben zu lösen und die Bemühungen von Forschern zu bündeln, die auf verschiedenen Wissensgebieten arbeiten, werden in allen Industrieländern Zentren für Molekularelektronik und gemeinsame Laboratorien geschaffen, internationale Konferenzen und Seminare abgehalten.

Jetzt und anscheinend und in naher Zukunft ist es schwierig, über die Schaffung molekularer elektronischer Geräte zu sprechen, die auf der Grundlage der Funktionsweise einzelner Moleküle arbeiten, aber wir können wirklich über die Verwendung molekularer Systeme sprechen, in denen intramolekulare Effekte auftreten eine makroskopische Manifestation. Solche Materialien können als "intelligente Materialien" bezeichnet werden. Die Phase der Erstellung "intelligenter Materialien", d.h. Das Stadium der funktionalen Molekularelektronik, eine natürliche und notwendige Periode in der Entwicklung der Elektronik, ist ein definitives Stadium im Übergang von der Halbleiter- zur Molekulartechnologie. Aber es ist möglich, dass dieser Zeitraum länger sein wird, als wir jetzt denken. Insbesondere in den frühen Stadien der Entwicklung der molekularen Elektronik erscheint es realistischer, die makroskopischen Eigenschaften molekularer Systeme zu nutzen, die durch strukturelle Reorganisationen auf der Ebene einzelner molekularer Ensembles bestimmt würden. Das physikalische Funktionsprinzip solcher elektronischer Geräte sollte Dimensionsbeschränkungen zumindest bis zur Größe großer Molekülverbände aufheben. Aus Sicht der Elektronik und der potenziellen Möglichkeit, molekulare Geräte an ihre Halbleiter-Gegenstücke anzudocken, wäre es vorzuziehen, sich mit molekularen Systemen zu befassen, die ihre elektronische Leitfähigkeit unter äußeren Einflüssen, hauptsächlich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, ändern.

Die Ideen der Molekularelektronik reduzieren sich nicht auf den einfachen Ersatz eines Halbleitertransistors durch einen molekularen, obwohl auch dieses spezielle Problem gelöst werden soll. Das Hauptziel ist jedoch die Schaffung komplexer molekularer Systeme, die gleichzeitig mehrere unterschiedliche Effekte implementieren, die eine komplexe Aufgabe erfüllen. Zu den Aufgaben dieses Typs gehört natürlich zunächst die Aufgabe, ein universelles Speicherelement als den wichtigsten Teil jeder informationsverarbeitenden Einrichtung zu schaffen. Es liegt auf der Hand, dass das Potenzial der molekularen Elektronik durch die Schaffung neuronaler Netzwerke, die aus Neuronen und elektroaktiven Synapsen bestehen, die sie verbinden, in größerem Umfang erschlossen wird. Die Schaffung künstlicher Neuronen mittels molekularer Elektronik, verschiedener Arten von Sensoren, die in einem einzigen Netzwerk enthalten sind, wird den Weg für die Verwirklichung aller Möglichkeiten ebnen, die der Neurocomputer-Ideologie innewohnen, wird die Schaffung einer grundlegend neuen Art von Informationen ermöglichen und Computersysteme und nähern sich der Lösung des Problems der Schaffung künstlicher Intelligenz.

Bacteriorhodopsin: Struktur und Funktionen.

Molekularelektronik ist definiert als Kodierung (Aufzeichnung), Verarbeitung und Erkennung (Lesen) von Informationen auf molekularer und makromolekularer Ebene. Der Hauptvorteil der molekularen Annäherung liegt in der Möglichkeit des molekularen Designs und der Herstellung von Geräten „von unten nach oben“, d.h. Atom für Atom oder Fragment für Fragment werden die Parameter der Geräte durch Methoden der organischen Synthese und der Gentechnik bestimmt. Zwei allgemein anerkannte Vorteile der Molekularelektronik sind eine deutliche Reduzierung der Gerätegröße und der Gate-Ausbreitungsverzögerungen.

Die Bioelektronik, ein Zweig der Molekularelektronik, untersucht die Möglichkeit, Biopolymere als durch Licht oder elektrische Impulse gesteuerte Module in Computern und optischen Systemen einzusetzen. Die Hauptanforderung für wahrscheinliche Kandidaten aus einer großen Familie von Biopolymeren besteht darin, dass sie ihre Struktur als Reaktion auf einen physikalischen Einfluss reversibel ändern und mindestens zwei diskrete Zustände erzeugen müssen, die sich in leicht messbaren physikalischen Eigenschaften (z. B. spektralen Parametern) unterscheiden.

In diesem Zusammenhang sind Proteine ​​von großem Interesse, deren Hauptfunktion mit der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie in verschiedenen photosynthetischen Systemen verbunden ist. Der wahrscheinlichste Kandidat unter ihnen ist eine lichtabhängige Protonenpumpe – Bacteriorhodopsin (BR) aus einem halophilen Mikroorganismus Halobacterium salinarum(vorher Halobacterium halobium), entdeckt 1971.

Bacteriorhodopsin, ein retinalhaltiger Protonentransportgenerator, ist ein Transmembranprotein aus 248 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von 26 kDa, das die Membran in Form von sieben durchdringt a- Spiralen; Die N- und C-Terminus der Polypeptidkette befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Zytoplasmamembran: Der N-Terminus zeigt nach außen und der C-Terminus zeigt in die Zelle (Abb. 1, 2).

Abb.1. BR-Modell in den Elementen der Sekundärstruktur. Die Aminosäuren wurden isoliert
am Protonentransport beteiligt: ​​Asparaginsäurereste in Kreisen,
quadrierter Argininrest. Mit Lys-216 (K-216) wird eine Schiff-Base (SB) gebildet.
Der Pfeil zeigt die Richtung des Protonentransports.

Chromophor BR - protoniertes retinales Aldimin mit a Die -Aminogruppe des Lys-216-Restes befindet sich im hydrophoben Teil des Moleküls. Nach der Absorption eines Lichtquants während des Photozyklus isomerisiert Retinal aus alles-E bis 13Z-Form. Die Proteinmikroumgebung des Chromophors kann als Rezeptor mit Substratspezifität für z alles-E /13Z-Retinal, das diese Isomerisierung bei Raumtemperatur katalysiert. Darüber hinaus sind einige Aminosäuren für die Unterdrückung von anderen Isomerisierungen verantwortlich alles-E /13Z, zum Beispiel aus alles-E- bis 7Z-, 9Z-, 11Z-Netzhaut. Der Rest der Polypeptidkette stellt einen Protonentransportkanal bereit oder schirmt die photochrome innere Gruppe vor Umwelteinflüssen ab.

Die gegenseitige Topographie der Sekundärstrukturelemente, die durch die BR-Polypeptidkette nach der Absorption eines Lichtquants durch das Chromophormolekül gebildet werden, ändert sich, was zur Bildung eines Kanals für den Transmembrantransfer von Protonen aus dem Zytoplasma in die äußere Umgebung führt. Der molekulare Mechanismus des lichtabhängigen Transports ist jedoch noch unbekannt.

Abb.2. Schematisches Modell der dreidimensionalen (räumlichen) Struktur von BR Seven a -Helices bilden einen Chromophor-Hohlraum und einen Transmembran-Protonentransferkanal.

BR ist in der Zellmembran enthalten H. salinarum- halophile Archaebakterien, die in Salzwiesen und Seen leben und sich vermehren, wo die NaCl-Konzentration 4 M überschreiten kann, was sechsmal höher ist als im Meerwasser (~ 0,6 M). Dieses einzigartige Protein ähnelt in vielerlei Hinsicht dem visuellen Protein Rhodopsin, obwohl seine physiologischen Funktionen unterschiedlich sind. Während visuelles Rhodopsin als primärer Photorezeptor fungiert, der den meisten Wirbeltieren Dunkelsehen verleiht, besteht die physiologische Rolle von BR darin, Halobakterien zu ermöglichen, als fakultative Anaerobier zu agieren, wenn der Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung niedrig ist. Das Protein fungiert als lichtabhängige Protonenpumpe, die für die Bildung eines elektrochemischen Gradienten von Protonen auf der Oberfläche der Zellmembran sorgt, der wiederum als Energiespeicher dient. Die primäre Arbeit des Gradienten ist die Synthese von ATP durch anaerobe (photosynthetische) Phosphorylierung und ist in diesem Fall ein klassisches Beispiel für Mitchells chemiosmotische Hypothese der oxidativen Phosphorylierung. Wenn es kein Licht gibt und der Sauerstoffpartialdruck hoch ist, kehren die Bakterien zur aeroben oxidativen Phosphorylierung zurück.
Zellen H. salinarum enthalten auch zwei sogenannte sensorische Rhodopsine (SR I und SR II), die für positive und negative Phototaxis sorgen. Unterschiedliche Wellenlängen werden von CP I und CP II als Detektormoleküle gelesen, was eine Kaskade von Signalen auslöst, die den Flagellenmotor des Bakteriums steuern. Mit Hilfe dieses elementaren Prozesses der Lichtwahrnehmung begeben sich Mikroorganismen selbstständig in das Licht geeigneter spektraler Zusammensetzung. Zusätzlich haben Zellen Halorhodopsin (GH), das eine lichtabhängige Pumpe von Cl – -Ionen ist. Seine Hauptfunktion besteht darin, Chloridionen in die Zelle zu transportieren, die das Bakterium ständig verliert und sich unter der Wirkung des vom BR erzeugten elektrischen Feldes in Richtung von innen nach außen bewegt. Der Wirkungsmechanismus von GR ist unklar. Es wird angenommen, dass Cl – an den positiv geladenen quartären Stickstoff der protonierten Schiff-Base bindet und die Isomerisierung von Retinal aus alles-E zur 13Z-Form bewirkt die Bewegung dieses Stickstoffs mit dem daran gebundenen Cl-Ion - vom Eingang zum Ausgang Cl - -Leitweg.

Abb. 3. Ein Abschnitt der Purpurmembran (Draufsicht).

BR ist in Bereichen von Zellmembranen lokalisiert H. salinarum in Form von Purpurmembranen (PM), die zweidimensionale Kristalle mit einem hexagonalen Gitter bilden. Diese Bereiche enthalten das Protein selbst, einige Lipide, Carotinoide und Wasser (Abb. 3). Sie haben normalerweise eine ovale oder runde Form mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 0,5 &mgr;m und enthalten etwa 25 % Lipide und 75 % Protein. PM sind beständig gegen Sonnenlicht, Sauerstoffeinwirkung, Temperaturen über 80 °C (in Wasser) und bis zu 140 °C (trocken), pH-Wert von 0 bis 12, hohe Ionenstärke (3 M NaCl), Wirkung der meisten Proteasen, empfindlich gegenüber Polarmischungen organische Lösungsmittel mit Wasser, sind aber beständig gegen unpolare Lösungsmittel wie Hexan. Von großer praktischer Bedeutung ist die bestehende Möglichkeit, PM ohne Verlust der photochemischen Eigenschaften in Polymermatrices einzubetten.

Der lichtinduzierte Protonentransport wird von einer Reihe zyklischer Spektraländerungen im BR begleitet, deren Gesamtheit als Photozyklus bezeichnet wird (Abb. 4). Dreißig Jahre Forschung haben zu einem ziemlich detaillierten Verständnis des Photozyklus geführt, aber die Details des Protonentransports werden noch untersucht.

Der photochemische Zyklus von BR besteht aus einzelnen Intermediaten, die sowohl durch Absorptionsmaxima als auch durch die Bildungs- und Zerfallskinetik identifiziert werden können. Abbildung 4 zeigt ein vereinfachtes Modell des BR-Photozyklus.

Abb.4. Fotozyklus BR.

Die photochemischen und thermischen Stufen sind als dicke bzw. dünne Pfeile dargestellt. Vertikale Symbole weisen darauf hin alles-E-Konformation der Netzhaut (Zwischenprodukte B und Ö), schräge Symbole - zur 13Z-Konformation. Im Dunkeln verwandelt sich BR in eine 1:1-Mischung D und B, diese Mischung wird als dunkeladaptierter BR bezeichnet. Wenn das BR leuchtet, erfolgt eine Lichtadaption, d. h. Übergang in den Grundzustand B. Von dort aus beginnt der Photozyklus, der zum Transport eines Protons durch die Membran führt. Während des Übergangs L zu M bei einer Dauer von etwa 40 μs wird die Schiff-Base deprotoniert und Asp85 wird protoniert. Von dort gelangt das Proton aus dem extrazellulären Teil des Protonenkanals nach außen. Während des Übergangs M zu N Aldimin wird reprotoniert. Der Asp96-Rest wirkt als Protonendonor. Asp96 wird durch den zytoplasmatischen Protonenhalbkanal reprotoniert. Während alle Umwandlungen zwischen Zwischenprodukten reversibel sind, ist der Übergang von M ich zu MII Es wird angenommen, dass dies der wichtigste irreversible Schritt im Photozyklus ist. Während dieses Übergangs wird der Stickstoff der Schiff-Base für den extrazellulären Teil des Protonenkanals unzugänglich, sondern nur für den zytoplasmatischen Halbkanal, was mit Konformationsänderungen im Proteinmolekül verbunden ist.

Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zwischenprodukte werden durch die Wellenlänge ihrer Absorptionsmaxima und den Wert des spezifischen molaren Extinktionskoeffizienten charakterisiert. Die Protonierung von SB und die Konfiguration des Retinylidenrests beeinflussen die Größe der Absorptionsmaxima. Während des BR-Photozyklus treten im Protein mehrere temperaturabhängige Konformationsänderungen auf, sodass die Bildung der meisten Zwischenprodukte durch Kühlung unterdrückt werden kann.

Neben dem Hauptfotozyklus gibt es zwei Zustände, die künstlich herbeigeführt werden können. Bei Zwischenprodukten P und Q Netzhautkonformation 9Z. Dies wird nach photochemischer Anregung erreicht alles-E-Retinal, wenn gleichzeitig Asp85 protoniert wird. Dies kann im Wildtyp-BR bei niedrigem pH-Wert oder Deionisierung (Bildung sogenannter blauer Membranen) erreicht werden, aber diese Präparate sind nicht stabil. Ein alternativer Ansatz besteht darin, Asp85 durch eine Aminosäure mit einem anderen pKa-Wert zu ersetzen, die bei dem interessierenden pH-Wert ungeladen bleibt, oder die Carboxylgruppe durch ortsgerichtete Mutagenese vollständig zu entfernen. Die Stabilität solcher Mutanten-Blau-Membranen ist höher.

Die einzigartigen Eigenschaften von Bakteriorhodopsin bieten ein breites Spektrum an technischen Anwendungen, in denen es eingesetzt werden kann, jedoch sind derzeit nur optische kommerziell realisierbar, da ihre Integration in moderne technische Systeme am einfachsten ist.

Optische Anwendungen basieren auf der Verwendung von BR-Filmen - Polymermatrizen verschiedener Zusammensetzung mit darin enthaltenen Proteinmolekülen. Zum ersten Mal auf der Welt wurden solche Filme auf Basis des Wildtyp-BR in unserem Land im Rahmen des Projekts "Rhodopsin" erhalten und untersucht; In den 1980er Jahren wurden die Wirksamkeit und Aussichten der Verwendung solcher als "Biochrome" bezeichneten Materialien als photochrome Materialien und als Medium für die holografische Aufzeichnung demonstriert.

Von großem Interesse ist die Möglichkeit, die photochemischen Eigenschaften von BR-Filmen zu variieren:
a) Ersatz des natürlichen Chromophors durch einen modifizierten;
b) chemische (physikochemische) Einflüsse;
c) Punktuelle Substitutionen bestimmter Aminosäurereste durch gentechnische Methoden.

Solche modifizierten Materialien können wertvolle spezifische Eigenschaften haben, die ihre Verwendung als Elementbasis eines Biocomputers prädestinieren.

denkendes Molekül

In den letzten Jahren sind Wissenschaftler in vielen Ländern zu der alten und einfachen Idee eines "chemischen" Computers zurückgekehrt, in dem Berechnungen von einzelnen Molekülen durchgeführt werden. Im vergangenen Jahr konnten Forscher aus mehreren Labors auf einmal brillante Ergebnisse auf diesem Gebiet erzielen, die eine radikale Veränderung der Situation versprechen.

Wissenschaftler haben große Erfolge bei der Arbeit mit Pseudorotoxan-Molekülen erzielt (sie sind in Abb. 1 dargestellt).

Es gelang ihnen, ein solches Molekül, das die Form eines Rings hat, auf eine Achse zu bringen – ein lineares Molekül. Um zu verhindern, dass der Ring von der Achse springt, werden an seinen Enden große Molekülfragmente angebracht, die die Rolle von "Nüssen" spielen (verschiedene Spendergruppen wurden in dieser Eigenschaft verwendet). Bei der Reaktion mit einer Säure (H+) oder einer Base (B) kann der Ring von einem Ende der Achse zum anderen gleiten und den chemischen Zustand „umschalten“. Es ist lustig, dass im Prinzip auf molekularer Ebene ein mechanisches Gerät nachgebildet wird, das der Verbindung von Stangen und Rädern in den ersten, primitivsten Rechengeräten des 17 siehe den einfachsten klerikalen Abakus in dieser molekularen Struktur, mit einem Fingerknöchel an jedem Zweig).

Dieses elegante chemische Schaltermolekül wurde bereits Anfang der 90er Jahre untersucht, aber für die praktische Umsetzung der Idee war es noch notwendig, Methoden zur Kombination und Steuerung von Arrays dieser Minimikrodioden zu entwickeln. Nachdem sie eine Monoschicht aus ähnlich orientierten Molekülen dieser Art auf der Oberfläche des Metalls erzeugt hatten (diese sehr schwierige Aufgabe wurde mit den neuesten nanotechnologischen Selbstorganisationsmethoden gelöst), lagerten die Wissenschaftler die dünnste Goldschicht darauf ab und schufen bereits primitive Prototypen davon Logikgatter auf dieser Basis.

Einige Monate später demonstrierte eine gemeinsame Gruppe von Mark Read und James Tour (von den Universitäten Yale und Rice) der Öffentlichkeit eine weitere Klasse von Schaltermolekülen. Die Ergebnisse waren so beeindruckend, dass die Zeitschrift „Scientific American“ (Juni 2000) sogar die Titelseite der Ankündigung „The Birth of Molecular Electronics“ (ich möchte hinzufügen – endlich!) auf die Titelseite brachte. Wie einer der Autoren mit verhaltenem Stolz schrieb: „Wir haben ein Molekül mit variabler elektrischer Leitfähigkeit geschaffen, das auf unseren Befehl hin Elektronen ansammeln kann, also als Speicher fungiert.“

Zunächst synthetisierte James Tour mit einer speziellen Technik eine 14 Nanometer lange Molekülkette aus Benzol-1,4-dithiolat-Einheiten. Darin wurden Gruppen eingeführt, die Elektronen einfangen, wenn das Molekül "unter Spannung" steht. Das schwierigste Problem, das auch überwunden wurde, war, dass der Schalter ein reversibler chemischer Prozess sein muss. Damit ein Molekül als Speicherelement funktionieren kann, muss ihm beigebracht werden, Elektronen nicht nur einzufangen, sondern sie nur für eine bestimmte Zeit zu halten. Genau das ist genau genommen die Hauptleistung von Reed und Tour mit Kollegen.
Ein elektrochemischer (im wahrsten Sinne des Wortes!) Schalter ist in Abb. 1 dargestellt. 2 (linke Seite). Es handelt sich um eine Kette aus drei Benzolringen, an deren Mitte von entgegengesetzten Seiten NO 2 - und NH 2 -Gruppen angebracht sind (in der Abbildung farblich hervorgehoben). Eine solche asymmetrische Molekülkonfiguration erzeugt eine Elektronenwolke von komplexer Form, was zu einem überraschend schönen und grundlegend wichtigen physikalischen Effekt zur Lösung des Problems führt: Wenn ein Feld angelegt wird, verdreht sich das Molekül, sein Widerstand ändert sich und es beginnt, Strom zu leiten ( rechte Seite der Abbildung). Wenn das Feld entfernt wird, dreht sich das Molekül in die entgegengesetzte Richtung und kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Ein auf diesem Prinzip basierender Schalter ist eine lineare Kette aus etwa 1.000 Nitrobenzolthiol-Molekülen, die sich zwischen zwei Metallkontakten befindet. Darüber hinaus ermöglichten Messungen mit Tunnelmikroskopie (ein Fragment einer Molekülkette wurde zwischen ultradünne nadelförmige Goldelektroden gelötet; die experimentelle Geometrie ist in Abb. 3 dargestellt) ermöglichten es, die Betriebsparameter des Schalters zu erhalten, der zu Recht genannt werden kann die molekulare Strom-Spannungs-Kennlinie und die molekulare Leitfähigkeit (Abb. .4). Die Leitwertkurve (die sich übrigens als sehr nah an der berechneten herausstellte) hat eine deutlich ausgeprägte Senke. Dadurch ist es möglich, durch eine einfache Änderung der angelegten Spannung Teile des Moleküls von einem leitenden Zustand in einen nichtleitenden Zustand und umgekehrt zu überführen. Formal und tatsächlich erhalten (die Chemiker bevorzugen natürlich den Begriff „synthetisiert“) eine molekulare Triode. Tatsächlich kann dies als die erste Stufe bei der Entwicklung der Molekularelektronik angesehen werden.

Fazit

Obwohl die theoretischen Grundlagen der Moletronik bereits ausreichend weit entwickelt und Prototypen fast aller Elemente logischer Schaltungen erstellt wurden, ergeben sich beim tatsächlichen Bau eines molekularen Computers erhebliche Schwierigkeiten. Die äußerlich naheliegende Möglichkeit, einzelne Moleküle als logische Elemente elektronischer Bauelemente zu verwenden, erweist sich aufgrund der spezifischen Eigenschaften molekularer Systeme und der Anforderungen an logische Elemente als sehr problematisch.

Zunächst einmal muss das logische Element eine hohe Betriebszuverlässigkeit haben, wenn eine Steueraktion angewendet wird. Wenn wir die optische Verbindung zwischen den Elementen betrachten, dann ist im System ein Molekül - ein Photon die Zuverlässigkeit des Schaltens aufgrund der relativ geringen Wahrscheinlichkeit des Übergangs des Moleküls in einen angeregten Zustand gering. Man kann versuchen, diese Schwierigkeit zu überwinden, indem man gleichzeitig eine große Anzahl von Quanten verwendet. Dies widerspricht jedoch einer anderen wichtigen Anforderung: Die Effizienz der Signalumwandlung durch ein separates Element sollte nahe bei Eins liegen, dh die durchschnittliche Reaktionsleistung sollte der durchschnittlichen Aufprallleistung entsprechen. Andernfalls, wenn Elemente zu einer Kette kombiniert werden, nimmt die Wahrscheinlichkeit ihrer Operation ab, wenn sie sich vom Anfang der Kette entfernen. Außerdem muss das Element eindeutig in den gewünschten Zustand wechseln und darin ausreichend lange verweilen – bis zum nächsten Aufprall. Für relativ einfache Moleküle ist diese Anforderung meist nicht erfüllt: Wenn der Übergang in einen angeregten Zustand kontrolliert werden kann, kann der umgekehrte Übergang spontan erfolgen.

Allerdings ist nicht alles so schlimm. Die Verwendung großer organischer Moleküle oder ihrer Komplexe ermöglicht es prinzipiell, die aufgezählten Schwierigkeiten zu umgehen. Beispielsweise liegt bei einigen Proteinen die Effizienz der elektronenoptischen Umwandlung nahe bei Eins. Darüber hinaus erreicht die Lebensdauer des angeregten Zustands bei großen bioorganischen Molekülen mehrere zehn Sekunden.

Aber selbst wenn ein einzelnes molekulares Rechenelement nicht die Zuverlässigkeit seiner Silizium-Vorgänger hat, kann der effiziente Betrieb des zukünftigen Computers durch die Kombination der Prinzipien der Moletronik und des parallelen Rechnens erreicht werden, die in Supercomputern verwendet werden. Dazu müssen Sie mehrere identische molekulare Logikelemente parallel arbeiten lassen. Dann führt die fehlerhafte Bedienung eines von ihnen nicht zu einem merklichen Fehler in den Berechnungen. Ein moderner massiv paralleler Supercomputer mit vielen hundert Prozessoren kann eine hohe Leistung aufrechterhalten, selbst wenn 75 % von ihnen ausfallen. Fast alle lebenden Systeme verwenden das Prinzip der Parallelität. Daher hindert die Unvollkommenheit von Organismen auf der Ebene einzelner Zellen oder Gene sie nicht daran, effektiv zu funktionieren.

Heute gibt es weltweit mehr als ein Dutzend wissenschaftlicher und technologischer Zentren, die an der Entwicklung molekularelektronischer Geräte beteiligt sind. Jährliche Konferenzen bringen Hunderte von Experten auf diesem Gebiet zusammen.

Großes Interesse an der Moletronik wird nicht nur durch die Aussichten auf den Bau eines Computers hervorgerufen, sondern auch durch die vielfältigen Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Technologien. Aufgrund der hohen Lichtempfindlichkeit molekularelektronischer Bauelemente können mit ihnen effiziente Solarenergiewandler geschaffen, der Prozess der Photosynthese simuliert und eine neue Klasse von Bilddetektoren entwickelt werden, deren Prinzip der Arbeit des menschlichen Auges ähneln wird . Molekulare Geräte können auch als selektive Sensoren verwendet werden, die nur auf bestimmte Arten von Molekülen ansprechen. Solche Sensoren werden in Ökologie, Industrie und Medizin benötigt. Ein Sensor aus organischen Molekülen lässt sich viel einfacher in einen menschlichen Körper implantieren, um seinen Zustand zu überwachen.

Die Lösung der Probleme der Molekularelektronik erfordert die Bemühungen eines breiten Spektrums von Wissenschaftlern, die auf dem Gebiet des akademischen Wissens von der Kolloidchemie und Biologie bis zur theoretischen Physik sowie auf dem Gebiet der Hochtechnologien arbeiten. Darüber hinaus sind erhebliche finanzielle Investitionen erforderlich.

Es ist auch notwendig, neues hochqualifiziertes Personal für die Arbeit in diesem komplexen Bereich, der an der Schnittstelle der Wissenschaften liegt, auszubilden. Aber anscheinend wird es in 10-15 Jahren eine bedeutende Rolle in Wissenschaft und Technologie spielen.

Liste der verwendeten Materialien

Laut Netz Internet , Artikel:

1. Goncharova E., Bachelor of Biotechnology;

2. Zaitsev V., Shishlova A., Institut für Physik, Staatliche Lomonossow-Universität Moskau M. W. Lomonossow;

3. Krieger Yu., Ph.D. n.