KIMIA SURAMOLEKULER

Kimia Supramolekul (SC)- relatif bagian baru kimia, mempertimbangkan senyawa, ansambel molekul, asosiasi komposisi stoikiometrik dan non-stoikiometrik, yang komponennya saling berhubungan melalui interaksi antarmolekul (nonvalen). Dengan kata lain, CX adalah kimia interaksi non-valen. Sampai saat ini, ini adalah definisi yang paling umum, meskipun tidak diterima secara universal, dari subjek kimia supramolekul, yang menunjukkan kemudaan subjek yang sedang dipertimbangkan. disiplin ilmu dan mengaburkan batas-batas tindakannya, tetapi lebih pada itu di bawah ini.

Istilah "s kimia supramolekul» diperkenalkan pada tahun 1973 oleh Laureate Penghargaan Nobel dalam kimia untuk 1987 J.-M. Len. Menurut Lehn, subjek kimia supramolekul dapat dibagi menjadi dua bidang yang luas, sebagian tumpang tindih terkait dengan: a) - kimia supramolekul yang dihasilkan dari pengenalan molekul dan asosiasi antarmolekul berikutnya dari dua atau lebih komponen - reseptor dan substratnya, dan yang membangun kerangka molekul dari satu jenis molekul (inang), ke dalam rongga di mana jenis molekul lain diperkenalkan (tamu), dan b) - kimia ansambel molekul yang dihasilkan dari asosiasi spontan sejumlah komponen yang tidak terbatas dan memiliki organisasi mikroskopis yang kurang lebih jelas (klatrat, vesikel, misel, membran; misalnya, salah satu varietas ribosom terdiri dari 55 molekul protein dan tiga molekul asam ribonukleat, membentuk globul dengan ukuran sekitar 200 ). Kekuatan interaksi dalam struktur ini dapat bervariasi dari yang lemah, diamati, misalnya, dalam hidrat gas dan terbentuk karena ikatan hidrogen, hingga kuat, yang dibentuk oleh d.-a. ikatan diamati, misalnya, dalam senyawa mahkota. Pada saat yang sama, harus diingat bahwa pembentukan senyawa tersebut sering mengarah pada stabilisasi kedua molekul inang yang membangun kerangka dan, misalnya, dalam konformasi yang secara energetik kurang menguntungkan dibandingkan dengan molekul bebas, untuk misalnya, konformasi "mandi", dan molekul tamu, kadang-kadang bahkan tidak ada dalam keadaan individu (misalnya, radikal). Fenomena ini telah menerima nama khusus "stabilisasi kontak molekul". Dari sini dapat disimpulkan bahwa konsep kimia supramolekul menyatukan berbagai macam kelas zat, mulai dari zat yang dipertimbangkan dalam kursus kimia anorganik, dan diakhiri dengan zat yang merupakan subjek kimia makhluk hidup. Hal ini juga mengikuti dari atas bahwa banyak peneliti mempelajari zat yang terikat oleh interaksi non-valen jauh sebelum perumusan pertama istilah kimia supramolekul. Selain itu, sebagian besar istilah yang termasuk dalam konsep ini diusulkan dalam terlambat XIX dan awal abad ke-20.

Clathrates(istilah dalam karyanya pemahaman modern diusulkan pada tahun 1947 oleh Powell) atau koneksi koneksi(istilah ini diusulkan oleh Schlenk pada tahun 1949), tampaknya pertama kali diperhatikan oleh Pierre, Berthelot dan Cronstedt pada tahun 40-50. Abad XVIII, tetapi dijelaskan secara rinci oleh Priestley pada tahun 1778 (es "anomali" - hidrat dari belerang dioksida). Peletier dan Karsten pada tahun 1785 menggambarkan pembentukan "murium oksida", yang ternyata merupakan unsur klorin hidrat, yang dibuktikan oleh Davy pada tahun 1811. Pada saat yang sama, komposisi "oksida" ini (Cl 2 × 10H 2 O) ditentukan pada tahun 1823 oleh Faraday , dan strukturnya hanya pada tahun 1952 oleh Stackelberg dan Müller.

Sekarang di bawah klatrat memahami supramolekulkoneksi koneksi, terbentuk hanya karena interaksi van der Waals molekul tamu dengan jenis molekul yang berbeda yang disebut master, dari mana bingkai dengan rongga untuk menerima tamu dibangun. Stabilitas termodinamika senyawa tersebut dipastikan oleh geometri yang tepat dari susunan molekul tamu di rongga inang (korespondensi spasial, komplementaritas), yang menyebabkan pembentukan ikatan antarmolekul yang lemah tetapi banyak menghasilkan beberapa perolehan energi dibandingkan dengan energi komponen klatrat. Pada saat yang sama, perubahan makro apa pun, biasanya dimanifestasikan selama pembentukan lebih banyak ikatan yang kuat, tidak ada penahanan yang ditemukan dalam komponen koneksi. Rasio komponen dalam klatrat, mis. stoikiometrinya dapat bervariasi, baik dalam senyawa hidrokuinon dengan gas inert, dan didefinisikan secara ketat, seperti dalam senyawa urea dengan parafin, pada sebagian besar hidrat gas, atau hidrokuinon yang sama, tetapi membentuk senyawa dengan hidrogen sulfida atau fullerena.

Untuk sebagian besar, stoikiometri ditentukan oleh stabilitas kerangka host. Jika kerangka tidak stabil atau tidak ada sama sekali tanpa kehadiran tamu, maka senyawa klatrat dengan komposisi konstan terbentuk. Jika kerangka kerja host stabil secara termodinamika bahkan tanpa kehadiran tamu, maka dalam hal ini solusi padat terbentuk berdasarkan a-modifikasi awal, yaitu. interaksi tidak disertai dengan pembentukan fase baru, meskipun beberapa stabilisasi struktur keseluruhan dan terjadi. Dengan kata lain, kerangka klatrat di kasus terakhir metastabil sehubungan dengan modifikasi a awal, tetapi dengan tingkat tertentu mengisi rongga dengan molekul atau atom tamu, menjadi lebih stabil dan membentuk klatrat komposisi variabel.

Harus ditekankan bahwa dalam sebagian besar kasus, tuan rumah tidak ada dalam bentuk yang ada sebagai klatrat. Modifikasi tuan rumah dan konformasi tamu yang diperlukan untuk pembentukan klatrat dicapai dengan interaksi langsung atau kaskade mereka. Dalam kasus terakhir, sejumlah tahap berturut-turut dari pembentukan klatrat terjadi. Misalnya globin ( molekul protein hema) pertama termasuk kompleks besi porfirin tanpa interaksi valensi, yang kemudian memperoleh konformasi mangkuk dan yang kemudian mencakup molekul oksigen atau karbon monoksida. Posisi ini bertentangan dengan Fisher yang lebih sederhana, tetapi untuk sejumlah alasan lain, asumsi yang lebih umum bahwa spesifisitas tinggi reaksi enzimatik karena komplementaritas (prinsip kunci-kunci) substrat dan enzim. Secara umum, peran lingkungan protein suatu enzim yang mengandung pusat logam, seperti pada globin, atau gugus logam, seperti pada nitrogenase atau ferrodoksin, sama sekali tidak bersifat sekunder. Ini adalah sistem di mana tidak ada komponen yang bekerja tanpa yang lain. Paling contoh utama ini - upaya yang gagal di tahun 70-80an. mensimulasikan operasi nitrogenase hanya menggunakan gugus Fe-Mo-S dari kofaktor nitrogenase.

Menurut bentuk rongga dalam klatrat, senyawa inklusi diklasifikasikan menjadi: crypto-clathrates(sel), tubulato-klatrat(tabung) dan intercalato-clathrates(senyawa inklusi berlapis). Menurut sifat interaksi "tamu-tuan rumah" mereka dibagi menjadi klatrat sederhana, misalnya, senyawa saluran urea dengan parafin, terbentuk hanya karena gaya van der Waals (interaksi non-valen antarmolekul), koordinat klatrat, misalnya, trimetilamina hidrat seluler yang dibentuk oleh ikatan hidrogen (dengan interaksi spesifik) (nama lengkap - kripto-koordinat-klatrat), dan kompleks klatrat - formasi yang lebih kuat dengan ikatan donor-akseptor.

Ada juga klasifikasi menurut sifat ikatan dalam kerangka tuan rumah. dia klatrat kisi, di mana kerangka inang dibangun dari molekul yang terhubung secara relatif ikatan yang lemah, misalnya hidrogen. Perwakilan khas dari jenis klatrat ini adalah hidrokuinon dan fenol yang memiliki gugus OH. Melalui kelompok-kelompok ini, perancah dibangun, terdiri dari enam molekul inang (Gbr. 16). Stabilitas termal klatrat semacam itu bisa beberapa puluh derajat lebih tinggi dari titik leleh masing-masing komponen.

Beras. 16. Rongga inang, terdiri dari enam molekul hidrokuinon.

PADA klatrat makromolekul kerangka dibangun dari fragmen yang terikat secara kovalen. Contohnya adalah penelitian intensif tahun-tahun terakhir senyawa koordinasi kerangka atau struktur MOF (kerangka logam-organik) (Gbr. 17), yang akan kita bahas di bawah ini ketika membahas masalah akumulasi gas (metana, hidrogen, asetilen, karbon dioksida) atau klatrosil dengan unit rumus SiO 2 . Rongga yang terakhir dapat menampung tamu yang sama dengan

Beras. 17. MOF Berbasis Seng Karboksilat dengan Linker struktur yang berbeda. Bola kuning adalah volume rongga dalam polimer

dalam hidrat, karena ukurannya dekat, tapi stabilitas termal mereka secara signifikan lebih tinggi dan untuk klatrat dengan trimetilamina dapat mencapai 3 jam paparan pada 950 C o melawan 200 C o dalam hidrat.

PADA klatrat monomolekul tuan rumah terdiri dari molekul besar, yang masing-masing memiliki satu atau lebih rongga. Senyawa ini juga bisa ada dalam larutan. Contoh klatrat semacam itu diwarnai dalam Warna biru kombinasi yodium dengan pati amilosa.

Yang paling khas dan menarik di antara zat-zat ini adalah hidrat klatrat, yang mungkin mengandung keduanya komponen gas, kita akan membicarakannya di bawah ini, serta molekul yang lebih kompleks, termasuk kompleks ionik, misalnya, garam basa tetraalkilamonium. Dalam kasus terakhir, kerangka air dibangun di sekitar anion, dan kation, menembus ke dalam rongga besar kerangka, menstabilkan klatrat secara keseluruhan. Efek serupa juga diamati pada sejumlah klatrat berdasarkan senyawa koordinasi, di mana molekul pelarut diperkenalkan dan menstabilkannya (efek stabilisasi kontak). Jadi, kompleks piridil-rhodanida dari tembaga atau seng itu sendiri tidak stabil, tetapi klatratnya dengan benzena cukup stabil. Seringkali, bagaimanapun, molekul tamu tidak mempengaruhi sifat inang, dan oleh karena itu senyawa yang terbentuk dengan partisipasi mereka kadang-kadang disebut "kompleks pengepakan". Jenis senyawa interstisial yang sangat umum ini tidak hanya dalam koordinasi, tetapi juga dalam kimia organologam, tampaknya, pertama kali diamati oleh Hoffmann pada tahun 1897 menggunakan contoh kompleks nikel dengan komposisi Ni(CN) 2 NH 3 ×C 6 H 6 .

Clathrates berbasis urea sangat umum (Gbr. 18). Dalam kerangka klatrat dari modifikasi-bnya, semua ikatan-H diluruskan dan densitasnya berkurang tajam dibandingkan dengan modifikasi-a awal. Karena itu, ia tidak dapat eksis dengan sendirinya dan menstabilkan dengan memasukkan molekul tamu ke dalam rongga tubularnya. di kasus ini parafin.

Senyawa berlapis, senyawa interstisial, senyawa interkalasi adalah semua satu kelas senyawa klatrat di mana atom atau molekul tamu terletak di ruang interlayer atau rongga geometris. kisi kristal. Yang paling terkenal di antara mereka adalah senyawa interkalasi dalam grafit dan fullerides, diklasifikasikan di atas sebagai kompleks ion radikal dengan transfer muatan atau klatrat intercalato.

Luar biasa dalam keragamannya adalah hidrokuinon klatrat (Gbr. 19), yang ada dalam tiga modifikasi stabil dan juga memberikan kerangka-d yang tidak stabil secara termodinamika, yang terjadi hanya sebagai akibat dari reaksi pembentukan klatrat dengan gas inert, sulfur dioksida, karbon dioksida,

Beras. 18. Molekul n-parafin dalam rongga saluran kerangka klatrat molekul urea.

alkil halida, metana, dan bahkan molekul fullerene yang sangat besar (Gbr. 20), dll.

Di antara semua klatrat yang diketahui, dari sudut pandang praktis, hidrat gas, terutama hidrat metana, adalah yang paling menarik. Ketertarikan khusus pada mereka muncul setelah penemuan hidrat metana di perut Bumi dan lautan, cadangan bahan bakar yang melebihi semua cadangan bahan bakar lainnya digabungkan. Diasumsikan bahwa banyak bencana global di Bumi, termasuk selama periode Trias 230 juta tahun yang lalu dan

Beras. 19. Rongga dalam struktur -hydroquinone dengan molekul xenon yang disertakan

Beras. 20. Fragmen struktur senyawa 60 ∙3Q

Zaman Paleosen 55 juta tahun yang lalu, disebabkan oleh emisi bencana ke atmosfer miliaran ton metana, yang berada dalam kondisi "stasioner" di kedalaman laut dalam bentuk gas hidrat di bawah tekanan dan pada suhu rendah. Atau bencana yang terjadi 8.000 tahun yang lalu di pantai Norwegia, ketika gas yang dilepaskan dari rak beberapa ribu kilometer persegi menimbulkan tsunami setinggi beberapa ratus meter. Sudah di zaman kita (1986), dekomposisi spontan dan tak terduga dari gas hidrat danau kawah Nyos (Kamerun), yang mengandung hidrogen sulfida, sulfur dioksida, metana, karbon dioksida, menyebabkan kematian 1700 orang. Salah satu hipotesis yang menjelaskan misteri segitiga Bermuda, juga didasarkan pada asumsi bahwa gelembung gas metana yang sangat besar dilepaskan dari kedalaman Samudra. Yang lebih mengesankan adalah hipotesis yang menjelaskan penyebab modern pemanasan global iklim bumi. Ini juga terkait dengan metana: peningkatan yang jelas dalam suhu rata-rata atmosfer dan lautan terkait dengan peningkatan jumlahnya di atmosfer bagian atas, yang mengarah pada peningkatan penyerapan radiasi termal. Kecurigaan sebagian jatuh padanya sebagai reagen yang menghancurkan lapisan ozon. Namun, semua ini termasuk dalam bidang asumsi ilmiah, meskipun saat ini ada cukup banyak hipotesis ilmiah tentang ketidakstabilan hidrat gas dan penyebabnya (yang terakhir adalah saluran di dalam lapisan padat. gas hidrat, mulai dari retakan bawah kerak bumi dan memberikan aliran panas ke lapisan ini), dan terkadang fantasi. Kenyataannya adalah bahwa satu meter kubik "es metana", satu fragmen yang dibangun dari 32 molekul air dan 8 molekul metana, mengandung 164 meter kubik. gas alam, yang hanya 2-2,5 kali lebih sedikit daripada metana cair! Dan dalam bentuk ini disimpan 10.000-15000 gigaton! Sayangnya, atau mungkin untungnya, saat ini tidak ada teknologi industri penggunaan kekayaan ini, tetapi pekerjaan ke arah ini sedang berlangsung dan, mengingat "pengalaman" yang menyedihkan dari Norwegia dan Kamerun, hampir tidak mungkin untuk menilai secara positif keberhasilan penyelesaian pekerjaan ini.

Struktur hidrat gas ditentukan oleh kerangka yang dibangun dari molekul air yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen. Saat ini, lebih dari 15 kerangka seperti itu diketahui, memiliki rongga besar (utama) dan kecil (tambahan atau penstabil). Polihedra yang menggambarkan rongga juga sangat berbeda. Dari jumlah tersebut, yang paling khas adalah 12, 14, 15, 16, dan 20-hedra, biasanya masing-masing dilambangkan dengan huruf pertama. alfabet Yunani– D, T, P, H dan E (Gbr. 21) (ada juga sebutan rongga gas hidrat yang agak berbeda dari ini).

Keragaman mereka ditentukan oleh koordinasi tetrahedral molekul air dan fleksibilitas ikatan-H yang terlihat sepanjang panjang dan sudut valensi, yang memungkinkan untuk membangun berbagai kerangka yang sedikit berbeda energinya. Panjang ikatan dan sudut ikatan perubahan dalam posisi "dasar" yang khas untuk es biasa-2,76 dan

Beras. 21. Rongga-polihedra dalam kerangka klatrat air (atom oksigen terletak di simpul polihedra, ujungnya menunjukkan ikatan hidrogen)

109,5 o. Kisi-kisi yang terbentuk dalam kasus ini dan, karenanya, komposisi senyawa hidrat gas juga cukup beragam dan, di atas segalanya, tergantung pada tekanan di mana mereka berada. Yang paling khas untuk hidrat gas adalah kisi KS-I dan KS-III kubik dan kisi GS-III heksagonal (struktur H dalam literatur Inggris) dengan rumus sel dasar 6T 2D 46H 2 O, 8H 16D 136H 2 O dan E 2D' 3D 34H 2 O, di mana selain jumlah molekul air pembentuk kerangka, jumlah molekul atau atom tamu dan jenis rongga yang mereka tempati adalah ditunjukkan. Kisi-kisi tetragonal juga dikenal, yang biasanya terbentuk ketika tekanan tinggi. Bentuk lepas dari es es Ih, es Ic dan es II, yang ada pada tekanan tinggi, juga dianggap sebagai kerangka. pada gambar. Gambar 22 menunjukkan struktur salah satu hidrat gas (metana) ini dalam penunjukan rongga konvensional.

Stabilitas hidrat gas tergantung pada struktur rangka (tingkat dan kualitas pengisian rongga besar dan kecil), suhu, tekanan, dan beberapa aditif yang diperkenalkan secara khusus. Dengan demikian, kisi GS-III, yang memiliki rongga terbesar E, tidak stabil kecuali jika rongga kecil D diisi. P, T-kondisi, di mana metana hidrat menjadi stabil, - 0 o C dan tekanan 25-30 atm. Dengan meningkatnya tekanan, stabilitasnya meningkat dan pada 2-2,5 Kbar sudah ada pada 40-50 ° C. Pengenalan komponen ketiga ke dalam sistem - tetrahydrofuran atau methylcyclohexane di tempat lain lagi menstabilkan sistem dan mengurangi Parameter P,T stabilitas metana hidrat. Dalam hal ini, aditif organik juga termasuk dalam rongga gas hidrat, membentuk senyawa campuran (Gbr. 23).

Beras. 22. Fragmen struktural KS-1 dengan molekul metana di rongga D dan T

Beras. 23. Struktur metana hidrat dengan penambahan tetrahidrofuran (a) dan metilsikloheksana (b)

Pada tekanan hingga 15 Kbar dan suhu biasa atau rendah, hidrat klatrat dari neon, argon, dan bahkan hidrogen dengan komposisi H 2 /H 2 O=1 dan H 2 /2H 2 O=1 menjadi stabil. Yang terakhir ini didasarkan pada kerangka es II atau es Ic dan mengandung 11,2 dan 5,3 berat. % H 2 , masing-masing. Angka sebaliknya sulit untuk dicapai, misalnya, dalam hidrida logam atau sorben berbasis karbon yang disintesis secara khusus, zeolit ​​atau densitas rendah senyawa kompleks jumlah berat hidrogen secara signifikan lebih rendah. Zat serupa dapat stabil pada suhu rendah bahkan pada tekanan biasa, dan pada tekanan tinggi (>300 atm) atau dengan adanya sejumlah kecil komponen ketiga, misalnya, tetrahidrofuran atau garam alkilamonium (Gbr. 24) bisa sangat stabil bahkan di suhu kamar dan tekanan berlebih yang relatif rendah (<100 атм).

Kombinasi dua tamu gas - hidrogen dan metana dan satu cairan - tetrahidrofuran saat ini unik dalam hal kandungan bahan bakar.

Beras. 24. Struktur klatrat yang terbentuk pada sistem H 2 -H 2 O-NR 4 Br, dan ketergantungan kestabilannya pada tekanan dan temperatur.

komponennya adalah hidrogen. Jumlah hidrogen yang dihitung dalam senyawa komposisi (Н 2) 4 ·CH 4 adalah 33,4 berat. % dan ada pada 2 Kbar dan suhu 77 K, sedangkan pada 300 K diperlukan tekanan 50 Kbar. Tapi ini masih data yang belum dikonfirmasi, yang mungkin jauh dari kenyataan.

Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian klatrat berdasarkan siklodekstrin, oligosakarida siklik yang dibangun dari 6, 7, atau 8 unit d-glikopiranosa, telah meningkat secara nyata (Gbr. 25.

Geometri molekul siklodekstrin dapat direpresentasikan sebagai keranjang tanpa alas, di bagian atasnya terdapat 12–16 gugus OH sekunder, dan di bagian bawah terdapat 6–8 primer atau substituen fungsionalnya (“ekor dengan sebuah sikat"). Zat-zat ini, yang, tergantung pada jumlah unit glikosidik, dapat mengubah diameter bagian atas "keranjang tanpa alas" dari 5,7 menjadi 9,5 (dan, karenanya, bagian bawah, tetapi pada tingkat yang lebih rendah), rupanya, secara eksklusif karena interaksi van der Waals, memasukkan berbagai macam substrat ke dalam rongganya. Dalam beberapa kasus, ini memungkinkan untuk

Beras. 25. Struktur molekul siklodekstrin

hanya seleksi selektif mereka, tetapi juga untuk melakukan reaksi katalitik selektif dalam rongga siklodekstrin dan reaksi sintetis konvensional (yaitu, bekerja sebagai "nanoreactor"), tetapi mengarah ke produk yang tidak biasa dan sulit dijangkau, seperti catenanes, rotoxanes , polyrotoxanes dan tabung , yaitu. komponen atau blanko yang digunakan sebagai blok penyusun dalam memperoleh struktur berskala nano atau objek kimia supramolekul yang lebih kompleks.

Selain memecahkan masalah kimia murni, siklodekstrin mulai berhasil digunakan dalam biokimia, misalnya, untuk menentukan aktivitas antivirus atau antijamur in vitro turunan ferrosen. Model struktural kompleks yang digunakan untuk tujuan ini ditunjukkan pada Gambar. 26.

Beras. 26. Model struktur kompleks siklodekstrin dengan ferrosen tersubstitusi.

Meskipun penyebarannya sangat luas di alam, perhatian besar para peneliti terhadap senyawa klatrat dan sejarahnya yang panjang, namun demikian, penemuan eter mahkota oleh Pedersen harus dianggap sebagai awal dari pembentukan konsep kimia supramolekul dan pemisahannya menjadi senyawa independen. bidang pengetahuan (Gbr. 27 menunjukkan model struktur eter mahkota paling terkenal) dan penemuan kemampuan uniknya untuk menangkap kation logam alkali (Gbr. 28-30) ke dalam rongganya. Kekuatan dan geometri kompleks yang dihasilkan atau koneksi mahkota karena banyak alasan, tetapi, pertama-tama, korespondensi geometris ukuran rongga dengan ukuran tamu ( prinsip korespondensi geometris): molekul atau ion yang lebih besar tidak membentuk senyawa intracavitary, meskipun dapat dikoordinasikan di luar ligan, dan yang lebih kecil memberikan intracavitary yang kurang kuat

Beras. 27. Representasi grafis dari beberapa eter mahkota

senyawa, karena mereka membutuhkan restrukturisasi struktur makrosiklus yang lebih dalam. Namun, bagaimanapun, kompleksasi disertai dengan penataan ulang struktur mahkota eter, kadang-kadang menjadi molekul berbentuk mahkota simetris yang memahkotai ion logam seperti kepala raja. Sintesis kriptan, aza- dan eter mahkota belerang, dan heteroanalognya, yang mengikuti penemuan ini, secara signifikan memperluas jangkauan dan kemungkinan molekul polisiklik dalam hal aplikasinya dalam kimia analitik, katalisis transfer fase, ekstraksi, dll. Namun, semua koneksi ini tidak terorganisir dengan baik untuk menerima tamu. Penyelarasan mereka membutuhkan energi tambahan, yang mempengaruhi stabilitas keseluruhan kompleks.

Pada tahap selanjutnya dalam pengembangan kimia molekul makrosiklik, spherands, cavitands, carcerands, hemi- dan cryptospherands, calixarene, catapinades dan lariats disintesis (Gbr. 31-36). Sebagian besar zat ini memiliki struktur yang kaku dan terorganisir dengan baik, yang ideal untuk menerima tamu. Misalnya, di spherands dan cavitands itu adalah mangkuk, di carcerands itu adalah rongga yang luas (gua).

Di sini timbul pertanyaan apakah sah untuk mengisolasi senyawa makrosiklus dengan ion logam menjadi senyawa independen dari senyawa koordinasi klasik, misalnya, solvat yang dibentuk oleh n-donor atau hidrat. Saya tidak punya jawaban yang jelas. Intinya, ini adalah senyawa koordinasi. Pertama-tama, di sebagian besar senyawa mahkota ionik, hubungan antar komponen disediakan oleh d.-a biasa. ikatan dan dalam kompleks bahkan dapat terjadi kontak valensi antara ion dan atom donor oksigen, nitrogen atau belerang, dan pembentukan zat ini sangat menguntungkan secara termodinamika sehingga dapat diperoleh secara langsung.

Beras. 28. Model struktur kompleks dibenzo-18-crown-6 dengan ion kalium dengan komposisi 1:1

Beras. 30. Model struktur kompleks dibenzo-18-crown-6 dengan ion natrium komposisi 2:1

Beras. 29. Model struktur kompleks 12-mahkota-4 dengan ion kalium dengan komposisi 2:1

interaksi siklus makro dengan logam dalam pelarut yang sesuai. Dalam hal ini, senyawa ionik yang luar biasa tersebut dibentuk sebagai alkalida dengan komposisi M + ×MC×M' - (M=M' - Li, Na, K, Rb, Cs; M'- Au), bahkan komposisi yang lebih tidak biasa Na 2 2- MC∙Ca 2+, Na - MC - Ba 2+ (Gbr.) atau elektroda M + ×MC×e _ (ligan MC-makrosiklik). Struktur ionik

Beras. Struktur azacryptanad Ba +2 (H 5 Aza 222) - Na - 2MeNH 2. Bola hitam - kation barium, abu-abu - anion natrium

dari zat-zat ini adalah bukti interaksi valensi tanpa syarat dalam molekul, dan atas dasar ini, alkalida dan elektroda tidak dapat dikaitkan dengan subjek CX. Tetapi pada saat yang sama, mereka tidak dapat dikaitkan dengan zat yang dipertimbangkan dalam kerangka kimia koordinasi, terutama dalam hal mekanisme pembentukan, komposisi, struktur, dan sifat, yang lebih dekat dengan larutan logam alkali dalam amonia cair. Tetapi bahkan tanpa ini, secara umum, ciri-ciri sifat-sifat senyawa mahkota, komposisi dan strukturnya sangat berbeda dari versi klasik d.a. kompleks. Dalam reaksi dengan CE, ion seperti basa amonium dan alkilamonium, ion alkali berat dan logam alkali tanah, yang tidak dilarutkan oleh ligan "klasik" lainnya, mengalami "solvasi", meskipun mereka dapat membentuk kompleks yang cukup kuat dengan ligan pengkelat, seperti sebagai diglyme, tetapi mereka tidak termasuk subjek SH. Pada saat yang sama, struktur dan kekuatan senyawa yang dihasilkan, misalnya kompleks 18-K-6 dengan ion kalium dan amonium,

Beras. 31. Model struktur salah satu kriptan (amino ester)

Beras. 32. Model struktur cryptdan dengan ion logam dalam rongga

Beras. 33. Model struktur salah satu kaliksarena paling sederhana

Beras. 34. Model struktur Cryptospherand

Beras. 35. Molekul bola

Beras. 36. Model struktur Cavitand

memiliki ukuran yang kira-kira sama juga kira-kira sama, meskipun entalpi reaksi-reaksi ini hampir selalu mendekati nol, dan mesin termodinamika

preferensi adalah untuk mengubah faktor entropi. Akibatnya, istilah "solvasi" terbatas diterapkan pada senyawa mahkota, karena dalam kimia D.-a. kompleks memiliki arti yang sedikit berbeda.

Dari fakta adanya alkalida dan elektris, maka senyawa makrosiklik yang spesifik hanya untuk anion dapat diperoleh. Memang, senyawa tersebut berdasarkan merkuri perfluoroaril makrosiklik telah diperoleh dan berhasil digunakan sebagai perangkap anion.

Senyawa molekul netral dengan molekul makrosiklik sudah, tentu saja, dapat dikaitkan dengan subjek CX. Ribuan senyawa tersebut saat ini dikenal. Minimal, pembentukan mereka disertai dengan proses pengakuan(untuk struktur sederhana, seperti CE atau cryptands, ini terutama merupakan korespondensi geometris atau, seperti yang mereka katakan, "bola", untuk yang lebih kompleks, itu sudah bisa menjadi "tetrahedral", "linier" atau bahkan pengenalan elektronik), organisasi mandiri(penyesuaian struktur tuan rumah dengan struktur tamu, munculnya keteraturan secara spontan dalam ruang dan/atau waktu) atau bahkan spontan. perakitan sendiri– proses tatanan yang lebih tinggi, yang mengarah pada pembentukan suprastruktur kompleks yang terdiri dari beberapa komponen. Seperti yang dapat dilihat, semua istilah ini datang ke CX dari biokimia, yang juga mempertimbangkan masalah perakitan sendiri (replikasi) molekul asam nukleat selama sintesis matriks protein, pembentukan metaloenzim, dll. Dalam pengertian ini, semua ini objek biokimia juga merupakan objek kimia supramolekul.

Metode sintesis matriks berhasil digunakan tidak hanya oleh alam, tetapi juga oleh ahli kimia di laboratorium, meskipun dengan nama yang berbeda - templat atau templat perpaduan. Secara khusus, penggunaannya mengarah pada pengembangan metode yang efektif untuk persiapan catenanes, molekul organik dari tipe "cincin dalam cincin" ("varian klasik" dari sintesis templat basa ftalosianin dan porfirin dengan partisipasi logam transisi. ion, kami akan mempertimbangkan di bagian kimia koordinasi). Penggunaan senyawa wadah seperti carcerans sebagai matriks tiga dimensi, yang membatasi volume reaksi dan melindungi molekul yang dibuat dari pengaruh eksternal, mis. sebagai nanoreaktor, memungkinkan tidak hanya untuk melakukan sintesis siklobutadiena yang sulit dipahami di rongganya, yang penting untuk mengkonfirmasi teori ikatan kimia (masalah aromatisitas dan antiaromatisitas) suatu zat, tetapi juga untuk menjaganya dalam kondisi normal selama beberapa puluh menit. Dalam sintesis organik standar, zat ini tidak dapat diperoleh selama lebih dari seratus tahun, dan meskipun diperoleh di bawah kondisi metode sintesis kriokimia, bahkan sedikit pemanasan menyebabkan kematiannya.

Pemisahan isotop (walaupun penerapan teknologi ini masih menjadi pertanyaan besar dan dari sudut pandang saya hampir tidak mungkin) dan isomer, termasuk stereo-, fotodiagnosis dan fototerapi kanker, transfer ion selektif melalui membran sel, pengikatan dan penghapusan zat berbahaya dari organisme, membran untuk elektroda dan optoda selektif ion, dan, akhirnya, aspek ilmu material yang terkait dengan desain perangkat molekuler seperti sakelar molekuler yang merespons, misalnya, terhadap perubahan pH medium - ini adalah bukan daftar lengkap aplikasi dan kemungkinan aplikasi senyawa makrosiklik.

Rencana yang lebih fantastis untuk penggunaan senyawa semacam itu dikaitkan dengan pembangunan komputer molekuler berdasarkan mereka. Untuk ini, perlu untuk menggabungkan beberapa jenis molekul dan membuat ansambel molekul, yang masing-masing elemen melakukan fungsi yang melekat pada mikroprosesor. Tidak diragukan lagi, ini adalah tugas yang sangat sulit yang membutuhkan tidak hanya mempelajari mekanisme perakitan sendiri dari agregat molekul dan menentukan kondisi untuk adaptasi mereka terhadap teknologi informasi, tetapi juga, pada prinsipnya, benar-benar menciptakan ideologi baru dan teknologi baru dengan awalan nano. Dalam perjalanan untuk memecahkan masalah yang paling kompleks ini, pendekatan telah dikembangkan untuk membuat sakelar molekuler, misalnya, karena reaksi isomerisasi yang diinduksi secara fotokimia dari molekul spiropyrans dan spirooxazines. Kemungkinan memvariasikan struktur dan komposisi senyawa ini pada rentang yang sangat luas memungkinkan pada prinsipnya untuk menyesuaikan sifat-sifatnya (hasil kuantum, masa hidup fotoisomer, karakteristik spektral, dll.) dengan persyaratan satu atau perangkat molekuler lainnya. Selain sistem fotokromik, senyawa dengan sifat magnetik khusus juga dipertimbangkan, misalnya, beberapa kompleks besi yang mampu bertransisi dari keadaan putaran rendah ke keadaan putaran tinggi, terjadi dengan beberapa histeresis suhu.

Sebagai pembawa memori molekuler yang mungkin, sistem tiga dimensi (3-D atau perangkat multilayer) dipertimbangkan, terdiri dari lapisan atau elemen yang dibangun, misalnya, dari sakelar molekul yang sama, salah satu bentuknya mampu berfluoresensi, yang memungkinkan untuk membaca informasi.

Sebagai konduktor antara sakelar molekuler dan elemen memori molekuler, saat ini, yang paling menjanjikan adalah polimer konduktif listrik seperti poliasetilen, polianilin, kompleks molekul karabin seperti LL”Re(C) 20 ReLL' yang terkenal atau rantai karabin sederhana dari jenis yang baru-baru ini ditemukan dalam studi lapisan graphene (Gbr. 37). Satu-satunya pertanyaan

Beras. 37. Skema pembentukan rantai poliyne dari atom karbon (karabin), yang terjadi ketika lembaran graphene dipatahkan, dan jarak di antara mereka.

yang muncul ketika membahas masalah bagaimana merakit semua elemen ini menjadi satu perangkat atau kompleks supramolekul: menggunakan prinsip saling melengkapi (pengenalan molekuler), yang tampaknya dalam kimia supramolekul tidak memiliki makna "mistis" seperti dalam kimia. dari yang hidup, karena sudah cukup ada banyak contoh di mana tidak secara eksplisit terlihat dengan cara apa pun, misalnya, dalam apa yang disebut. struktur campuran, meskipun dalam hal ini saling melengkapi dapat beroperasi pada tingkat atom atau kelompok, atau beberapa prinsip lainnya, masih terbuka. Namun, pekerjaan intensif ke arah ini sedang dilakukan oleh banyak tim peneliti, karena biaya masalah ini sangat tinggi. Dalam hal ini, kemajuan yang sangat serius telah dicapai, terutama dalam perakitan struktur dua dimensi berdasarkan film Langmuir-Blodgett monomolekul, berlapis, misalnya, melalui 15-20 kluster logam atom, dan pembuatan transistor menggunakan ini sandwich.

Ukuran struktur molekul memungkinkan penempatan sekitar 10 13 elemen logis per 1 cm 2 permukaan, yang ratusan ribu kali lebih tinggi daripada kepadatan perakitan yang dicapai dalam microchip modern. Waktu respons pada perangkat tersebut dapat dikurangi menjadi femtodetik, sedangkan perangkat modern tercepat beroperasi dalam rentang nanodetik. Sebagai hasilnya, kita dapat mengharapkan peningkatan 10 11 kali lipat dalam efisiensi komputer molekuler dibandingkan dengan sarana pemrosesan informasi modern yang paling canggih.

Sebagai kesimpulan, masih harus dicatat bahwa subjek kimia supramolekul masih dalam masa pertumbuhan, batas-batasnya kabur, mode mengarah pada fakta bahwa di bawah nama yang nyaring, seperti di bawah spanduk, benda-benda diperas, yang akan lebih nyaman. berada dalam kerangka disiplin tradisional dan mapan. Tetapi ada keadaan yang memerlukan analisis sebab dan akibat yang lebih rinci. Kasus seperti itu sering terjadi, misalnya, dalam jenis perangkat molekuler modern yang memungkinkan untuk merancang sistem fotokatalitik untuk konversi energi matahari menjadi energi kimia, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 38. Dalam "konstruksi" ini, kompleks porfirin adalah donor elektron, yang melalui spacer konduktif dengan sistem ikatan terkonjugasi, misalnya, terdiri dari rantai karbon satu dimensi (karabin), memasuki "depot elektron" - molekul fullerene yang mampu menerima hingga 12 elektron.

Beras. 38. Skema perangkat molekuler untuk mengubah energi matahari.

pada gambar. Gambar 39 menunjukkan sistem fotoaktif yang sedang dikembangkan, hibrida donor-akseptor di mana molekul penghasil elektron adalah karbon nanotube berdinding tunggal yang terikat melalui fragmen mahkota eter ke molekul fullerene.

Situasi yang agak berbeda dipertimbangkan di atas ketika menggambarkan upaya untuk membuat komputer molekuler, yang bagiannya diyakini juga berfungsi dengan partisipasi reaksi yang diinduksi secara fotokimia. Tetapi pertanyaan umum yang muncul, bagaimana semua komponen komputer ini atau pengubah energi matahari menjadi arus foto dihubungkan oleh interaksi valensi atau non-valensi? Jika mereka non-valen, maka pathos dari pertanyaan menghilang, tetapi jika mereka valensi, maka pertanyaan lain muncul, tetapi bagaimana ansambel molekul kompleks ini, yang terdiri dari setidaknya tiga komponen, berbeda dari senyawa organik poliatomik kompleks lainnya atau?

Beras. 39. Sistem supramolekul fotoaktif berdasarkan dua molekul karbon yang berbeda sifatnya.

molekul organologam? Hanya properti fungsional yang menarik? Tapi itu juga bisa hadir di yang terakhir. Itulah mengapa bagi saya tampaknya tidak tepat untuk merujuk pada subjek molekul kompleks kimia supramolekul di mana komponen penentu fungsi terikat secara kovalen satu sama lain secara langsung atau melalui spacer dan asosiasi ini hanya meningkatkan sifat ini, bagi saya tampaknya tidak tepat (untuk contohnya molekul

Kimia, konsep dasar yang akan kita bahas, adalah ilmu yang mempelajari zat dan transformasinya yang terjadi dengan perubahan struktur dan komposisi, dan karenanya sifat. Pertama-tama, perlu untuk mendefinisikan apa arti istilah "substansi". Jika kita membicarakannya dalam arti luas, itu adalah bentuk materi yang memiliki massa diam. Substansi adalah partikel dasar apa pun, misalnya, neutron. Dalam kimia, konsep ini digunakan dalam arti yang lebih sempit.

Untuk memulainya, mari kita jelaskan secara singkat istilah dan konsep dasar kimia, ilmu atom dan molekuler. Setelah itu, kami akan menjelaskannya, dan juga menyatakan beberapa hukum penting dari ilmu ini.

Konsep dasar kimia (zat, ​​atom, molekul) sudah tidak asing lagi bagi kita masing-masing dari sekolah. Di bawah ini adalah deskripsi singkat tentang mereka, serta istilah dan fenomena lain yang tidak begitu jelas.

atom

Pertama-tama, semua zat yang dipelajari dalam kimia terdiri dari partikel kecil yang disebut atom. Neutron bukanlah objek kajian ilmu ini. Juga harus dikatakan bahwa atom dapat bergabung satu sama lain, menghasilkan pembentukan ikatan kimia. Untuk memutuskan ikatan ini, diperlukan pengeluaran energi. Akibatnya, atom tidak ada secara individual dalam kondisi normal (dengan pengecualian "gas mulia"). Mereka terhubung satu sama lain setidaknya berpasangan.

Gerakan termal terus menerus

Gerak termal berkelanjutan mencirikan semua partikel yang dipelajari oleh kimia. Konsep dasar ilmu ini tidak dapat dinyatakan tanpa membicarakannya. Dengan gerakan partikel yang terus menerus, itu sebanding dengan suhu (namun, perlu dicatat bahwa energi masing-masing partikel berbeda). Ekin = kT / 2, di mana k adalah konstanta Boltzmann. Rumus ini berlaku untuk semua jenis gerakan. Karena Ekin = mV 2 / 2, gerakan partikel masif lebih lambat. Misalnya, jika suhunya sama, molekul oksigen bergerak rata-rata 4 kali lebih lambat daripada molekul karbon. Ini karena massa mereka 16 kali lebih besar. Gerakannya berosilasi, translasi dan rotasi. Getaran diamati pada zat cair, zat padat, dan zat gas. Tapi translasi dan rotasi paling mudah dilakukan dalam gas. Dalam cairan lebih sulit, dan dalam padatan bahkan lebih sulit.

molekul

Kami terus menjelaskan konsep dasar dan definisi kimia. Jika atom bergabung satu sama lain, membentuk kelompok kecil (mereka disebut molekul), kelompok tersebut mengambil bagian dalam gerakan termal, bertindak sebagai satu kesatuan. Hingga 100 atom hadir dalam molekul khas, dan jumlahnya dalam apa yang disebut senyawa bermolekul tinggi dapat mencapai 105.

Zat non-molekul

Namun, atom sering bersatu dalam kumpulan besar dari 107 hingga 1027. Dalam bentuk ini, mereka praktis tidak mengambil bagian dalam gerakan termal. Asosiasi ini memiliki sedikit kemiripan dengan molekul. Mereka lebih seperti potongan tubuh yang kokoh. Zat-zat ini biasanya disebut non-molekul. Dalam hal ini, gerakan termal dilakukan di dalam potongan, dan itu tidak terbang, seperti molekul. Ada juga rentang ukuran transisi, yang mencakup asosiasi yang terdiri dari atom dalam jumlah dari 105 hingga 107. Partikel-partikel ini adalah molekul yang sangat besar, atau butiran kecil bubuk.

ion

Perlu dicatat bahwa atom dan kelompoknya dapat memiliki muatan listrik. Dalam hal ini, mereka disebut ion dalam ilmu seperti kimia, konsep dasar yang kita pelajari. Karena muatan dengan nama yang sama selalu saling tolak menolak, suatu zat di mana terdapat kelebihan muatan tertentu yang signifikan tidak dapat stabil. Muatan negatif dan positif di ruang angkasa selalu bergantian. Dan zat secara keseluruhan tetap netral secara elektrik. Perhatikan bahwa muatan, yang dianggap besar dalam elektrostatika, dapat diabaikan dari sudut pandang kimia (untuk 105-1015 atom - 1e).

Objek studi dalam kimia

Harus diklarifikasi bahwa objek studi dalam kimia adalah fenomena di mana atom tidak muncul dan tidak dihancurkan, tetapi hanya berkumpul kembali, yaitu, mereka bergabung dengan cara baru. Beberapa tautan rusak, menghasilkan pembentukan yang lain. Dengan kata lain, zat baru muncul dari atom-atom yang merupakan bagian dari zat asli. Namun, jika kedua atom dan ikatan yang ada di antara mereka dipertahankan (misalnya, selama penguapan zat molekuler), maka proses ini bukan lagi bidang studi kimia, tetapi fisika molekuler. Dalam kasus ketika atom dibentuk atau dihancurkan, kita berbicara tentang subjek studi fisika nuklir atau atom. Namun, batas antara fenomena kimia dan fisika kabur. Lagi pula, pembagian menjadi ilmu-ilmu yang terpisah adalah kondisional, sedangkan alam tidak dapat dibagi. Oleh karena itu, pengetahuan fisika sangat berguna bagi ahli kimia.

Kami secara singkat menguraikan konsep dasar kimia. Sekarang kami mengundang Anda untuk mempertimbangkannya secara lebih rinci.

Lebih lanjut tentang atom

Atom dan molekul adalah apa yang banyak diasosiasikan dengan kimia. Konsep dasar ini harus didefinisikan dengan jelas. Fakta bahwa atom ada telah diduga dengan cemerlang dua ribu tahun yang lalu. Kemudian, sudah di abad ke-19, para ilmuwan memiliki data eksperimental (masih tidak langsung). Kita berbicara tentang beberapa rasio Avogadro, hukum keteguhan komposisi (di bawah ini kita akan mempertimbangkan konsep dasar kimia ini). Atom terus dieksplorasi pada abad ke-20, ketika banyak konfirmasi eksperimental langsung muncul. Mereka didasarkan pada data spektroskopi, pada hamburan sinar-X, partikel alfa, neutron, elektron, dll. Ukuran partikel ini sekitar 1 E = 1o -10 m. Massanya sekitar 10 -27 - 10 -25 kg Di pusat partikel-partikel ini adalah inti bermuatan positif, di mana elektron dengan muatan negatif bergerak. Ukuran nukleus sekitar 10 -15 m Ternyata kulit elektron menentukan ukuran atom, namun massanya hampir sepenuhnya terkonsentrasi di nukleus. Satu lagi definisi harus diperkenalkan, mengingat konsep dasar kimia. Jenis atom yang memiliki muatan inti yang sama.

Ini sering ditemukan sebagai partikel terkecil dari suatu zat, tidak dapat dibagi secara kimia. Seperti yang telah kita catat, pembagian fenomena menjadi fisik dan kimia adalah kondisional. Tetapi keberadaan atom tidak bersyarat. Oleh karena itu, lebih baik untuk mendefinisikan kimia melalui mereka, dan bukan sebaliknya, atom melalui kimia.

ikatan kimia

Inilah yang membuat atom tetap bersama. Itu tidak memungkinkan mereka untuk menyebar di bawah pengaruh gerakan termal. Kami mencatat karakteristik utama ikatan - ini adalah jarak dan energi internuklear. Ini juga merupakan konsep dasar kimia. Panjang ikatan ditentukan secara eksperimental dengan akurasi yang cukup tinggi. Energi - juga, tetapi tidak selalu. Misalnya, tidak mungkin untuk menentukan secara objektif apa hubungannya dengan ikatan tunggal dalam molekul kompleks. Namun, energi atomisasi suatu zat, yang diperlukan untuk memutuskan semua ikatan yang ada, selalu ditentukan. Dengan mengetahui panjang ikatan, Anda dapat menentukan atom mana yang terikat (berjarak pendek) dan mana yang tidak (berjarak jauh).

Nomor koordinasi dan koordinasi

Konsep dasar kimia analitik mencakup dua istilah ini. Apa yang mereka perjuangkan? Mari kita cari tahu.

Bilangan koordinasi adalah jumlah tetangga terdekat dari atom tertentu. Dengan kata lain, ini adalah jumlah orang yang secara kimiawi berhubungan dengannya. Koordinasi adalah posisi relatif, jenis dan jumlah tetangga. Dengan kata lain, konsep ini lebih bermakna. Misalnya, bilangan koordinasi nitrogen, karakteristik molekul amonia dan asam nitrat, adalah sama - 3. Namun, koordinasinya berbeda - non-planar dan planar. Itu ditentukan terlepas dari gagasan tentang sifat ikatan, sedangkan tingkat oksidasi dan valensi adalah konsep bersyarat yang dibuat untuk memprediksi koordinasi dan komposisi terlebih dahulu.

Definisi molekul

Kami telah menyentuh konsep ini, dengan mempertimbangkan konsep dasar dan hukum kimia secara singkat. Sekarang mari kita bahas lebih detail. Buku teks sering mendefinisikan molekul sebagai partikel netral terkecil dari suatu zat yang memiliki sifat kimianya dan juga dapat eksis secara mandiri. Perlu dicatat bahwa definisi ini sekarang sudah ketinggalan zaman. Pertama, apa yang oleh semua fisikawan dan kimiawan disebut molekul tidak melestarikan sifat-sifat materi. Air terdisosiasi, tetapi ini membutuhkan minimal 2 molekul. Derajat disosiasi air adalah 10 -7 . Dengan kata lain, hanya satu molekul dari 10 juta yang dapat menjalani proses ini.Jika Anda memiliki satu molekul, atau bahkan seratus, Anda tidak akan bisa mendapatkan gambaran tentang disosiasinya. Faktanya adalah bahwa efek termal dari reaksi dalam kimia biasanya mencakup energi interaksi antar molekul. Oleh karena itu, mereka tidak dapat ditemukan oleh salah satu dari mereka. Baik zat kimia dan fisik hanya dapat didefinisikan oleh kumpulan besar molekul. Selain itu, ada zat-zat di mana partikel "terkecil" yang mampu hidup secara mandiri berukuran besar dan sangat berbeda dari molekul biasa. Molekul sebenarnya adalah sekelompok atom yang tidak bermuatan listrik. Dalam kasus tertentu, ini mungkin satu atom, misalnya, Ne. Kelompok ini harus dapat berpartisipasi dalam difusi, serta dalam jenis gerakan termal lainnya, yang bertindak secara keseluruhan.

Seperti yang Anda lihat, konsep dasar kimia tidak begitu sederhana. Molekul adalah sesuatu yang perlu dipelajari dengan cermat. Ini memiliki sifat sendiri serta berat molekul. Kami akan berbicara tentang yang terakhir sekarang.

Massa molekul

Bagaimana cara menentukan berat molekul secara eksperimental? Salah satu cara didasarkan pada hukum Avogadro, dengan kerapatan uap relatif. Metode yang paling akurat adalah spektrometri massa. Sebuah elektron terlempar keluar dari sebuah molekul. Ion yang dihasilkan pertama-tama dipercepat dalam medan listrik, kemudian dibelokkan secara magnetis. Rasio muatan terhadap massa ditentukan secara tepat oleh besarnya deviasi. Ada juga metode berdasarkan properti yang dimiliki solusi. Namun, molekul dalam semua kasus ini tentu harus bergerak - dalam larutan, dalam ruang hampa, dalam gas. Jika mereka tidak bergerak, tidak mungkin untuk menghitung massa mereka secara objektif. Dan keberadaan mereka dalam kasus ini sulit untuk dideteksi.

Fitur zat non-molekul

Berbicara tentang mereka, mereka mencatat bahwa mereka terdiri dari atom, bukan molekul. Namun, hal yang sama berlaku untuk gas mulia. Atom-atom ini bergerak bebas, oleh karena itu, lebih baik menganggapnya sebagai molekul monoatomik. Namun, ini bukan hal utama. Lebih penting lagi, dalam zat non-molekul ada banyak atom yang terhubung bersama. Perlu dicatat bahwa pembagian semua zat menjadi non-molekul dan molekuler tidak mencukupi. Pembagian berdasarkan konektivitas lebih bermakna. Perhatikan, misalnya, perbedaan sifat grafit dan berlian. Keduanya adalah karbon, tetapi yang pertama lunak dan yang kedua keras. Bagaimana mereka berbeda satu sama lain? Perbedaannya justru terletak pada konektivitasnya. Jika kita mempertimbangkan struktur grafit, kita akan melihat bahwa ikatan kuat hanya ada dalam dua dimensi. Tetapi yang ketiga, jarak antar atom sangat signifikan, oleh karena itu, tidak ada ikatan yang kuat. Grafit dengan mudah meluncur dan membelah lapisan ini.

Konektivitas Struktur

Jika tidak, itu disebut dimensi spasial. Ini mewakili jumlah dimensi ruang, dicirikan oleh fakta bahwa mereka memiliki sistem inti yang berkesinambungan (hampir tak terbatas) (koneksi kuat). Nilai yang dapat diambil adalah 0, 1, 2 dan 3. Oleh karena itu, perlu dibedakan antara struktur tiga dimensi yang terhubung, berlapis, rantai, dan pulau (molekul).

Hukum kekekalan komposisi

Kita telah mempelajari konsep dasar kimia. Substansinya ditinjau secara singkat oleh kami. Sekarang mari kita bicara tentang hukum yang berlaku untuknya. Biasanya diformulasikan sebagai berikut: setiap zat individu (yaitu, murni), terlepas dari bagaimana diperoleh, memiliki komposisi kuantitatif dan kualitatif yang sama. Tapi apa maksud dari konsep tersebut, mari kita lihat.

Dua ribu tahun yang lalu, ketika struktur zat belum dapat dipelajari dengan metode langsung, ketika konsep kimia dasar dan hukum kimia yang kita kenal bahkan tidak ada, itu ditentukan secara deskriptif. Misalnya, air adalah cairan yang membentuk dasar laut dan sungai. Tidak memiliki bau, warna, rasa. Ada ini dan itu suhu beku dan leleh, berubah menjadi biru, air laut asin karena tidak bersih. Namun, garam dapat dipisahkan dengan distilasi. Kira-kira demikian, dengan metode deskriptif, konsep-konsep kimia dasar dan hukum-hukum kimia ditentukan.

Bagi para ilmuwan saat itu, tidak jelas bahwa cairan, yang diisolasi dengan cara yang berbeda (dengan membakar hidrogen, mendehidrasi vitriol, menyuling air laut), memiliki komposisi yang sama. Sebuah penemuan besar dalam ilmu pengetahuan adalah bukti dari fakta ini. Menjadi jelas bahwa rasio oksigen dan hidrogen tidak dapat berubah dengan mulus. Ini berarti bahwa unsur-unsur terdiri dari atom - bagian yang tidak dapat dibagi. Jadi rumus zat diperoleh, dan gagasan para ilmuwan tentang molekul dibenarkan.

Saat ini, zat apa pun secara eksplisit atau implisit didefinisikan terutama oleh formula, dan bukan oleh titik leleh, rasa atau warna. Air adalah H 2 O. Jika ada molekul lain, itu tidak lagi murni. Oleh karena itu, zat molekul murni adalah zat yang terdiri dari molekul hanya satu jenis.

Namun, bagaimana dengan elektrolit dalam kasus ini? Bagaimanapun, mereka mengandung ion, bukan hanya molekul. Perlu definisi yang lebih ketat. Zat molekul murni adalah zat yang terdiri dari molekul-molekul dari jenis yang sama, dan juga, mungkin, produk dari transformasi cepat reversibel mereka (isomerisasi, asosiasi, disosiasi). Kata "cepat" dalam konteks ini berarti bahwa kita tidak dapat membuang produk ini, mereka segera muncul lagi. Kata "reversibel" menunjukkan bahwa transformasi belum selesai. Jika dibawa, maka lebih baik dikatakan tidak stabil. Dalam hal ini, itu bukan zat murni.

Hukum kekekalan massa materi

Hukum ini telah dikenal dalam bentuk metafora sejak zaman kuno. Dia mengatakan bahwa materi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan. Kemudian muncul formulasi kuantitatifnya. Menurutnya, berat (dan dari akhir abad ke-17 - massa) adalah ukuran jumlah suatu zat.

Hukum ini dalam bentuknya yang biasa ditemukan pada tahun 1748 oleh Lomonosov. Pada tahun 1789, dilengkapi oleh A. Lavoisier, seorang ilmuwan Prancis. Formulasi modernnya terdengar seperti ini: massa zat yang masuk ke dalam reaksi kimia sama dengan massa zat yang diperoleh sebagai hasilnya.

Hukum Avogadro, hukum perbandingan volumetrik gas

Yang terakhir ini dirumuskan pada tahun 1808 oleh J. L. Gay-Lussac, seorang ilmuwan Prancis. Hukum ini sekarang dikenal sebagai hukum Gay-Lussac. Menurutnya, volume gas yang bereaksi terkait satu sama lain, serta volume produk gas yang dihasilkan, sebagai bilangan bulat kecil.

Pola yang ditemukan Gay-Lussac menjelaskan hukum yang ditemukan beberapa saat kemudian, pada tahun 1811, oleh Amedeo Avogadro, seorang ilmuwan Italia. Ini menyatakan bahwa dalam kondisi yang sama (tekanan dan suhu) dalam gas yang memiliki volume yang sama, ada jumlah molekul yang sama.

Dua konsekuensi penting mengikuti dari hukum Avogadro. Yang pertama adalah bahwa dalam kondisi yang sama, satu mol gas menempati volume yang sama. Volume salah satu dari mereka dalam kondisi normal (yang merupakan suhu 0 ° C, serta tekanan 101,325 kPa) adalah 22,4 liter. Konsekuensi kedua dari hukum ini adalah sebagai berikut: dalam kondisi yang sama, rasio massa gas yang memiliki volume yang sama sama dengan rasio massa molarnya.

Ada hukum lain, yang tentu harus disebutkan. Mari kita bahas secara singkat.

Hukum periodik dan tabel

D. I. Mendeleev, berdasarkan sifat kimia unsur dan teori atom dan molekul, menemukan hukum ini. Peristiwa ini terjadi pada tanggal 1 Maret 1869. Hukum periodik adalah salah satu yang paling penting di alam. Ini dapat dirumuskan sebagai berikut: sifat-sifat unsur dan zat kompleks dan sederhana yang dibentuk olehnya memiliki ketergantungan periodik pada muatan inti atomnya.

Tabel periodik yang dibuat oleh Mendeleev terdiri dari tujuh periode dan delapan golongan. Grup adalah kolom vertikalnya. Unsur-unsur di dalamnya masing-masing memiliki sifat fisik dan kimia yang serupa. Kelompok, pada gilirannya, dibagi menjadi subkelompok (utama dan sekunder).

Baris horizontal tabel ini disebut periode. Unsur-unsur yang ada di dalamnya berbeda satu sama lain, tetapi mereka juga memiliki kesamaan - bahwa elektron terakhir mereka terletak pada tingkat energi yang sama. Hanya ada dua elemen pada periode pertama. Ini adalah hidrogen H dan helium He. Ada delapan elemen pada periode kedua. Sudah ada 18 di antaranya di babak keempat, Mendeleev menetapkan periode ini sebagai periode besar pertama. Yang kelima juga memiliki 18 elemen, strukturnya mirip dengan yang keempat. Yang keenam berisi 32 elemen. Yang ketujuh belum selesai. Periode ini dimulai dengan fransium (Fr). Kita dapat berasumsi bahwa itu akan berisi 32 elemen, seperti yang keenam. Namun, sejauh ini baru 24 yang ditemukan.

Aturan putar balik

Menurut aturan rollback, semua unsur cenderung mendapatkan atau kehilangan elektron agar memiliki konfigurasi gas mulia 8 elektron yang paling dekat dengan mereka. Energi ionisasi adalah jumlah energi yang diperlukan untuk memisahkan elektron dari atom. Aturan kickback menyatakan bahwa saat Anda bergerak dari kiri ke kanan melintasi tabel periodik, lebih banyak energi diperlukan untuk melepaskan elektron. Oleh karena itu, unsur-unsur di sisi kiri cenderung kehilangan elektron. Sebaliknya, mereka yang berada di sisi kanan sangat ingin mendapatkannya.

Kami secara singkat menguraikan hukum dan konsep dasar kimia. Tentu saja, ini hanya informasi umum. Dalam kerangka satu artikel tidak mungkin untuk berbicara secara rinci tentang ilmu yang begitu serius. Konsep dasar dan hukum kimia, yang dirangkum dalam artikel kami, hanyalah titik awal untuk studi lebih lanjut. Memang, dalam ilmu ini ada banyak bagian. Ada, misalnya, kimia organik dan anorganik. Konsep dasar dari masing-masing bagian dari ilmu ini dapat dipelajari untuk waktu yang sangat lama. Tapi yang disajikan di atas adalah pertanyaan umum. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa ini adalah konsep dasar kimia organik, serta anorganik.

KIMIA ORGANIK. STRUKTUR MOLEKUL
A. Ikatan KIMIA KARBON
Sifat kimia karbon, perantara antara logam dan non-logam yang khas, memungkinkannya untuk membentuk ikatan kovalen dengan sejumlah besar elemen, paling sering dengan hidrogen, oksigen, nitrogen, halogen, belerang dan fosfor. Karbon membentuk ikatan yang sangat ionik dengan logam yang lebih elektropositif, tetapi zat tersebut sangat reaktif dan digunakan sebagai zat antara dalam sintesis. Ikatan karbon-karbon bersifat kovalen dan bersifat sederhana (tunggal), rangkap dua, rangkap tiga dan aromatik
(lihat STRUKTUR MOLEKUL).
sistem aromatik. Benzena - nenek moyang kelas senyawa aromatik - memiliki stabilitas unik dan masuk ke dalam reaksi kimia yang berbeda dari reaksi sistem non-aromatik. Ada sistem aromatik lainnya, yang paling umum memiliki orbital p yang tersedia untuk pembentukan ikatan p pada setiap atom cincin. Sistem cincin beranggota lima dengan dua ikatan rangkap terkonjugasi (yaitu, bergantian dengan tunggal) dan atom kelima yang mengandung pasangan elektron bebas juga bersifat aromatik. Di bawah ini adalah beberapa sistem tersebut:

Konsep aromatisitas digeneralisasikan oleh ahli kimia Jerman E. Hückel. Menurut aturan Hückel, sistem terkonjugasi siklik planar dengan 4n + 2 elektron p bersifat aromatik dan stabil, sedangkan sistem yang sama dengan elektron p 4n bersifat antiaromatik dan tidak stabil.
Stabilitas sistem siklik. Sudut ikatan (sudut antara ikatan) dalam fragmen C-C-C yang tidak diregangkan adalah 109°, dan cincin yang mempertahankan nilai ini lebih stabil daripada cincin yang sudutnya sangat menyimpang dari nilai ini. Tegangan yang muncul dalam sistem siklik sebagai akibat dari distorsi sudut ikatan disebut tegangan Bayer - setelah ahli kimia Jerman A. Bayer, yang pertama kali mengajukan penjelasan seperti itu untuk stabilitas cincin jenuh. Jadi, dalam cincin beranggota tiga, di mana sudut ikatannya hanya 60°, cincin-cincin itu sangat tegang dan mudah putus; beberapa reaksi mereka menyerupai reaksi ikatan rangkap C=C. Cincin beranggota empat juga tegang (sudut ikatan 90°), tetapi tidak sekuat itu. Cincin beranggota lima hampir datar dan sudutnya 108°; oleh karena itu mereka tidak tertekan dan stabil. Dalam cincin beranggota enam seperti sikloheksana, atom karbon tidak terletak pada bidang yang sama; siklus seperti itu dilipat, yang mengurangi tegangan cincin. Cincin beranggota lima dan enam adalah yang paling umum. Cincin besar juga mampu mengurangi tegangan sudut dengan membentuk lipatan, tetapi di beberapa di antaranya (dari tujuh hingga dua belas anggota) atom hidrogen di sisi berlawanan dari cincin saling mendekat sehingga tolakannya membuat sambungan menjadi kurang stabil (Prelog stres, dinamai ahli kimia Swiss W. Prelog yang menemukan efek ini).
Tautomerisme. Jika molekul atau ion dapat direpresentasikan sebagai beberapa struktur yang berbeda satu sama lain hanya dalam distribusi elektron, struktur ini disebut resonansi, dan bentuk resonansi tidak dalam kesetimbangan satu sama lain, hanya struktur elektronik molekul yang sebenarnya adalah sesuatu di antara ekstrem ini. Namun, ada situasi di mana atom bergerak dalam molekul di bawah kondisi biasa begitu cepat sehingga keseimbangan secara spontan terbentuk antara berbagai bentuk molekul. Fenomena ini disebut tautomerisme. Contohnya adalah keseimbangan antara keton dan enol (tautomerisme keto-enol):

Di sini, kedua senyawa hanya berbeda dalam susunan kation hidrogen dan pasangan elektron (dalam ikatan-p). Kesetimbangan terbentuk dengan cepat, tetapi sangat bergeser ke arah bentuk keto. Oleh karena itu, alkohol dengan struktur -C=C-OH biasanya tidak stabil dan dengan cepat berubah menjadi bentuk keto, kecuali ada beberapa fitur struktural yang menstabilkan bentuk enol, misalnya, dalam fenol, yang akan kehilangan karakter aromatiknya saat transisi ke bentuk keto:

Tautomerisme umum terjadi pada molekul yang memiliki struktur -CH=X atau -C=XH, di mana X adalah S, O, atau N. Dengan demikian, molekul H2C=C(NH2)-CH3 dengan cepat menyusun ulang menjadi H3C-C(=NH )- CH3, dan imida R-C(OH)=NH disusun ulang menjadi amida R-C(=O)NH2. Tautomerisme umum terjadi pada sistem heterosiklik yang penting secara biologis seperti asam barbiturat dan senyawa terkait:

Zat tersebut dalam kesetimbangan tautomerik sering masuk ke dalam reaksi karakteristik dari kedua bentuk.
kesetimbangan cepat lainnya. Kesetimbangan cepat lainnya antara molekul dengan struktur terkait juga diketahui. Jika dua gugus OH, SH, atau NH2 berada pada atom karbon yang sama, senyawa tersebut biasanya tidak stabil dibandingkan dengan bentuk ikatan rangkap:

Ada kasus di mana kesetimbangan ini bergeser ke arah senyawa dihidroksi. Formaldehida gas memiliki struktur CH2=O, tetapi dalam larutan air ia menambahkan molekul air, memperoleh HO-CH2-OH sebagai bentuk dominan. Kloral hidrat Cl3CCH(OH)2 stabil dalam bentuk dihidroksil sebagai akibat dari efek penarikan elektron dari tiga atom klorin.
B. ISOMERIA
Isomerisme rantai karbon. Molekul yang berbeda hanya pada percabangan rantai karbonnya disebut isomer rantai. Sebuah contoh telah diberikan - ini adalah pasangan isomer n-butana dan isobutana.
Isomerisme gugus fungsi. Molekul dengan rumus kotor yang sama tetapi gugus fungsi yang berbeda adalah isomer fungsional, misalnya, etil alkohol C2H5OH dan dimetil eter CH3-O-CH3.
isomerisme posisi. Isomer posisi memiliki rumus kasar dan gugus fungsi yang sama, tetapi posisi gugus fungsi dalam molekulnya berbeda. Jadi, 1-kloropropana CH3CH2CH2Cl dan 2-kloropropana CH3CHClCH3 adalah isomer posisi.
Isomerisme geometris. Isomer geometri terdiri dari atom identik yang terhubung dalam urutan yang sama, tetapi berbeda dalam pengaturan spasial atom-atom ini relatif terhadap ikatan rangkap atau cincin. Isomerisme cis-trans dari olefin dan sin-anti-isomerisme oksim adalah dari jenis ini.

Isomerisme optik. Molekul disebut isomer optik ketika mereka terdiri dari atom identik yang terhubung dengan cara yang sama, tetapi berbeda dalam pengaturan spasial atom-atom ini dengan cara yang sama seperti tangan kanan berbeda dari kiri. Isomerisme seperti itu hanya mungkin jika molekulnya asimetris, mis. ketika tidak memiliki bidang simetri. Cara termudah untuk masuk ke situasi ini adalah dengan menempelkan empat kelompok berbeda pada atom karbon. Kemudian molekul menjadi asimetris dan ada dalam dua bentuk isomer. Molekul-molekulnya hanya berbeda dalam urutan penempelannya pada atom karbon pusat, yang disebut atom karbon asimetris atau pusat kiral, karena terikat pada empat gugus yang berbeda. Perhatikan bahwa dua isomer optik adalah bayangan cermin satu sama lain; mereka disebut "enansiomer" atau "antipoda optik" dan memiliki sifat fisik dan kimia yang sama, kecuali bahwa mereka memutar bidang cahaya terpolarisasi dalam arah yang berlawanan dan bereaksi secara berbeda dengan senyawa yang merupakan isomer optik itu sendiri. Isomer yang memutar bidang cahaya terpolarisasi searah jarum jam disebut d- (dari "dextro" - kanan) atau (+)-isomer; Isomer yang memutar cahaya berlawanan arah jarum jam disebut isomer l- (dari "kiri" - kiri) atau (-). Ketika lebih dari satu pusat asimetris hadir dalam sebuah molekul, jumlah maksimum isomer optik yang mungkin adalah 2n, di mana n adalah jumlah pusat asimetris. Terkadang beberapa isomer ini identik, dan ini mengurangi jumlah isomer optik. Jadi, meso-isomer adalah isomer optik yang tidak aktif secara optik karena memiliki bidang simetri. Isomer optik yang bukan bayangan cermin disebut "diastereomer"; mereka berbeda dalam sifat fisik dan kimia dengan cara yang sama seperti perbedaan isomer geometri di dalamnya. Perbedaan ini dapat diilustrasikan dengan gula enam karbon rantai lurus yang memiliki struktur sebagai berikut: CH2OH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-CHO. Di sini, empat atom asimetris, ditandai dengan tanda bintang, masing-masing terhubung ke empat kelompok yang berbeda; dengan demikian, 24, atau 16, isomer adalah mungkin. 16 isomer ini membentuk 8 pasang enansiomer; setiap pasangan yang bukan enansiomer adalah diastereomer. Enam dari 16 gula ini disajikan di bawah ini sebagai apa yang disebut. Proyeksi Fisher.

Sebutan D- dan L- untuk enansiomer tidak mengacu pada arah putaran (dilambangkan d atau l), tetapi pada posisi OH pada karbon asimetris terendah (dalam proyeksi Fischer): ketika OH berada di sebelah kanan, isomer dilambangkan sebagai D, ketika di sebelah kiri, bentuk L. D - dan L glukosa memiliki titik leleh, kelarutan, dll yang sama. Di sisi lain, glukosa dan galaktosa, sebagai diastereomer, memiliki titik leleh, kelarutan yang berbeda, dll.

Ensiklopedia Collier. - Masyarakat terbuka. 2000 .

Lihat apa itu "KIMIA ORGANIK. STRUKTUR MOLEKULER" di kamus lain:

Ensiklopedia Collier

Cabang ilmu kimia yang mempelajari senyawa karbon, yang meliputi, pertama, zat yang menyusun sebagian besar makhluk hidup (protein, lemak, karbohidrat, asam nukleat, vitamin, terpen, alkaloid, dll.); kedua, banyak zat, ... ... Ensiklopedia Collier

Istilah ini memiliki arti lain, lihat Kimia (arti). Kimia (dari bahasa Arab کيمياء‎, yang mungkin berasal dari kata Mesir km.t (hitam), dari mana nama Mesir, tanah hitam dan timah "hitam ... ... Wikipedia

Elektronik molekuler

Pada tahun 1965, pada awal era komputer, Gordon Moore, direktur penelitian di Fairchild Semiconductors, meramalkan bahwa jumlah transistor pada sebuah chip akan berlipat ganda setiap tahun. Sudah 35 tahun dan Hukum Moore masih berlaku. Benar, seiring waktu, praktik produksi mikroelektronika membuat sedikit perubahan padanya: hari ini diyakini bahwa penggandaan jumlah transistor terjadi setiap 18 bulan. Perlambatan pertumbuhan ini disebabkan oleh kompleksitas arsitektur microchip. Namun, untuk teknologi silikon, prediksi Moore tidak dapat bertahan selamanya.

Tetapi ada batasan mendasar lainnya pada "hukum Moore". Peningkatan kepadatan elemen pada chip dicapai dengan mengurangi ukurannya. Bahkan saat ini, jarak antar elemen prosesor dapat mencapai 0,13x10-6 meter (yang disebut teknologi 0,13 mikron). Ketika ukuran transistor dan jarak di antara mereka mencapai beberapa puluh nanometer, apa yang disebut efek ukuran akan mulai berlaku - fenomena fisik yang sepenuhnya mengganggu pengoperasian perangkat silikon tradisional. Selain itu, dengan penurunan ketebalan dielektrik pada transistor efek medan, kemungkinan elektron melewatinya meningkat, yang juga mencegah pengoperasian normal perangkat.

Cara lain untuk meningkatkan kinerja adalah dengan menggunakan semikonduktor lain sebagai pengganti silikon, seperti galium arsenida (GaAs). Karena mobilitas elektron yang lebih tinggi dalam bahan ini, dimungkinkan untuk meningkatkan kecepatan perangkat dengan urutan besarnya. Namun, teknologi berdasarkan galium arsenida jauh lebih rumit daripada teknologi silikon. Oleh karena itu, meskipun dana yang cukup besar telah diinvestasikan dalam studi GaAs selama dua dekade terakhir, sirkuit terpadu berdasarkan itu digunakan terutama di bidang militer. Di sini, biaya tinggi mereka diimbangi oleh konsumsi daya yang rendah, kecepatan tinggi, dan ketahanan radiasi. Namun, pengembangan perangkat berdasarkan GaAs tetap tunduk pada batasan karena prinsip fisik dasar dan teknologi manufaktur.

Itulah sebabnya saat ini para ahli di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi mencari cara alternatif untuk pengembangan mikroelektronika lebih lanjut. Salah satu cara untuk memecahkan masalah yang ditawarkan oleh elektronik molekuler.

ELEKTRONIKA MOLEKULER - TEKNOLOGI MASA DEPAN.

Kemungkinan penggunaan material molekuler dan molekul individu sebagai elemen aktif elektronika telah lama menarik perhatian para peneliti di berbagai bidang ilmu pengetahuan. Namun, baru-baru ini, ketika batas-batas kemungkinan potensial teknologi semikonduktor menjadi nyata secara praktis, minat pada ideologi molekuler untuk membangun elemen dasar elektronik telah pindah ke arus utama penelitian yang aktif dan terarah, yang saat ini telah menjadi salah satu bidang ilmiah dan teknis elektronik yang paling penting dan menjanjikan.

Prospek lebih lanjut untuk pengembangan elektronik dikaitkan dengan penciptaan perangkat yang menggunakan fenomena kuantum, di mana akun sudah masuk ke unit elektron. Baru-baru ini, studi teoretis dan eksperimental dari struktur dimensi rendah yang dibuat secara artifisial telah dilakukan secara luas; lapisan kuantum, kabel dan titik. Diharapkan bahwa fenomena kuantum spesifik yang diamati dalam sistem ini dapat menjadi dasar untuk penciptaan jenis perangkat elektronik baru yang fundamental.

Transisi ke tingkat kuantum tidak diragukan lagi merupakan tahap baru yang penting dalam pengembangan elektronika, karena memungkinkan Anda untuk bekerja dengan hampir satu elektron dan membuat elemen memori di mana satu elektron dapat sesuai dengan satu bit informasi. Namun, penciptaan struktur kuantum buatan adalah tugas teknologi yang sangat sulit. Baru-baru ini, menjadi jelas bahwa penerapan struktur seperti itu dikaitkan dengan kesulitan teknologi yang hebat bahkan ketika membuat elemen tunggal, dan kesulitan yang tidak dapat diatasi muncul saat membuat chip dengan jutaan elemen. Jalan keluar dari situasi ini, menurut banyak peneliti, adalah transisi ke teknologi baru - elektronik molekuler.

Kemungkinan mendasar menggunakan molekul individu sebagai elemen aktif mikroelektronika diungkapkan oleh Feynman pada tahun 1957. Kemudian, ia menunjukkan bahwa hukum mekanika kuantum bukanlah halangan untuk penciptaan perangkat elektronik berukuran atom, selama kerapatan perekaman informasi tidak melebihi 1 bit/atom. Namun, hanya dengan munculnya karya Carter dan Aviram mulai berbicara tentang elektronik molekuler sebagai bidang interdisipliner baru, termasuk fisika, kimia, mikroelektronika dan ilmu komputer, dan bertujuan untuk mentransfer mikroelektronika ke basis elemen baru - perangkat elektronik molekuler.

Ini jelas menunjukkan analogi dengan sejarah pengembangan perangkat waktu presisi, yang telah beralih dari kronometer mekanis menggunakan berbagai jenis pendulum, melalui jam kuarsa berdasarkan resonansi keadaan padat, dan akhirnya, hari ini jam paling akurat menggunakan efek intramolekul dalam amonia. molekul, dll. Elektronik berkembang dengan cara yang sama, setelah beralih dari relai elektromagnetik mekanis dan tabung vakum ke transistor solid-state dan sirkuit mikro, dan hari ini telah mencapai ambang batas yang melampaui bidang teknologi molekuler.

Bukan kebetulan bahwa perhatian utama difokuskan pada sistem molekuler. Pertama, molekul adalah struktur kuantum ideal yang terdiri dari atom individu, pergerakan elektron sepanjang yang ditentukan oleh hukum kimia kuantum dan merupakan batas alami dari miniaturisasi. Fitur lain yang tidak kalah pentingnya dari teknologi molekuler adalah bahwa penciptaan struktur kuantum semacam itu sangat difasilitasi oleh fakta bahwa penciptaannya didasarkan pada prinsip perakitan sendiri. Kemampuan atom dan molekul dalam kondisi tertentu untuk bergabung secara spontan ke dalam formasi molekul yang telah ditentukan sebelumnya adalah sarana untuk mengatur struktur kuantum mikroskopis; operasi dengan molekul menentukan cara penciptaan mereka. Ini adalah sintesis sistem molekuler yang merupakan tindakan pertama perakitan sendiri perangkat yang sesuai. Ini mencapai identitas ansambel yang dirakit dan, karenanya, identitas dimensi elemen dan, dengan demikian, keandalan dan efisiensi jalannya proses kuantum dan fungsi perangkat molekuler.

Sejak awal pengembangan pendekatan molekuler dalam mikroelektronika, pertanyaan tentang prinsip-prinsip fisik fungsi perangkat elektronik molekuler tetap terbuka. Oleh karena itu, upaya utama difokuskan pada pencarian mereka, dengan perhatian utama diberikan pada molekul tunggal atau ansambel molekul. Meskipun banyak pekerjaan ke arah ini, implementasi praktis perangkat molekuler masih jauh dari selesai. Salah satu alasannya adalah, terutama pada periode awal pembentukan elektronika molekuler, penekanan kuat diberikan pada kerja molekul individu, pencarian dan penciptaan molekul bistabil yang meniru sifat pemicu. Tentu saja, pendekatan ini sangat menarik dalam hal miniaturisasi, tetapi hanya menyisakan sedikit kemungkinan perangkat elektronik molekuler dapat dibuat dalam waktu dekat.

Pengembangan pendekatan baru dalam mikroelektronika membutuhkan solusi dari sejumlah masalah di tiga bidang utama: pengembangan prinsip-prinsip fisik untuk fungsi perangkat elektronik; sintesis molekul baru yang mampu menyimpan, mentransmisikan, dan mengubah informasi; pengembangan metode untuk mengatur molekul menjadi ansambel supramolekul atau perangkat elektronik molekuler.

Saat ini, pencarian intensif sedang dilakukan untuk konsep pengembangan elektronika molekuler dan prinsip-prinsip fisik fungsi, dan fondasi untuk membangun elemen dasar sedang dikembangkan. Elektronik molekuler menjadi bidang ilmu interdisipliner baru yang menggabungkan fisika keadaan padat, fisika molekuler, kimia organik dan anorganik dan bertujuan untuk mentransfer perangkat elektronik ke basis elemen baru. Untuk menyelesaikan tugas yang ditetapkan dan memusatkan upaya para peneliti yang bekerja di berbagai bidang pengetahuan, pusat elektronik molekuler, laboratorium bersama sedang dibuat di semua negara industri, konferensi dan seminar internasional diadakan.

Sekarang, dan tampaknya, dan dalam waktu dekat, sulit untuk berbicara tentang pembuatan perangkat elektronik molekuler yang beroperasi berdasarkan fungsi molekul tunggal, tetapi kita benar-benar dapat berbicara tentang penggunaan sistem molekul di mana efek intramolekul memiliki manifestasi makroskopik. Bahan seperti itu bisa disebut "bahan cerdas". Tahap menciptakan "bahan cerdas", mis. tahap elektronik molekuler fungsional, periode alami dan perlu dalam pengembangan elektronik, adalah tahap yang pasti dalam transisi dari semikonduktor ke teknologi molekuler. Tetapi ada kemungkinan bahwa periode ini akan lebih lama dari yang kita pikirkan sekarang. Tampaknya lebih realistis, terutama pada tahap awal pengembangan elektronik molekuler, untuk menggunakan sifat makroskopik sistem molekuler, yang akan ditentukan oleh reorganisasi struktural yang terjadi pada tingkat ansambel molekul individu. Prinsip fisik fungsi perangkat elektronik tersebut harus menghilangkan batasan dimensi, setidaknya hingga ukuran formasi molekul besar. Dari sudut pandang elektronik dan kemungkinan potensial untuk memasang perangkat molekuler dengan rekan semikonduktornya, akan lebih baik untuk menangani sistem molekuler yang mengubah konduktivitas elektroniknya di bawah pengaruh eksternal, terutama di bawah pengaruh medan listrik.

Ide-ide elektronik molekuler tidak direduksi menjadi penggantian sederhana transistor semikonduktor dengan transistor molekuler, meskipun masalah khusus ini juga akan terpecahkan. Namun, tujuan utamanya adalah menciptakan sistem molekul kompleks yang secara simultan menerapkan beberapa efek berbeda yang melakukan tugas kompleks. Adalah wajar, pertama-tama, untuk memasukkan tugas menciptakan elemen memori universal sebagai bagian terpenting dari perangkat komputasi informasi di antara tugas-tugas jenis ini. Tampaknya sangat jelas bahwa potensi elektronik molekuler akan terungkap lebih luas ketika membuat jaringan saraf yang terdiri dari neuron dan sinapsis elektroaktif yang menghubungkannya. Penciptaan melalui elektronik molekuler neuron buatan, berbagai jenis sensor yang termasuk dalam satu jaringan, akan membuka jalan menuju realisasi semua potensi yang melekat pada ideologi neurokomputer, akan memungkinkan penciptaan jenis informasi baru yang fundamental dan sistem komputasi dan mendekati pemecahan masalah menciptakan kecerdasan buatan.

Bacteriorhodopsin: struktur dan fungsi.

Elektronika molekuler didefinisikan sebagai pengkodean (recording), pemrosesan dan pengenalan (reading) informasi pada tingkat molekuler dan makromolekul. Keuntungan utama dari pendekatan molekuler terletak pada kemungkinan desain molekuler dan produksi perangkat "dari bawah ke atas", yaitu. atom demi atom atau fragmen demi fragmen, parameter perangkat ditentukan oleh sintesis organik dan metode rekayasa genetika. Dua keuntungan yang diakui dengan baik dari elektronik molekuler adalah pengurangan yang signifikan dalam ukuran perangkat dan penundaan propagasi gerbang.

Bioelektronika, yang merupakan cabang dari elektronika molekuler, mengeksplorasi kemungkinan penggunaan biopolimer sebagai modul yang dikendalikan oleh impuls cahaya atau listrik dalam sistem komputer dan optik. Persyaratan utama untuk kandidat yang mungkin di antara keluarga besar biopolimer adalah bahwa mereka harus mengubah strukturnya secara reversibel sebagai respons terhadap beberapa dampak fisik dan menghasilkan setidaknya dua status diskrit yang berbeda dalam karakteristik fisik yang mudah diukur (misalnya, parameter spektral).

Dalam hal ini, protein sangat menarik, fungsi utamanya dikaitkan dengan transformasi energi cahaya menjadi energi kimia dalam berbagai sistem fotosintesis. Kandidat yang paling mungkin di antara mereka adalah pompa proton yang bergantung pada cahaya - bacteriorhodopsin (BR) dari mikroorganisme halofilik Halobacterium salinarum(sebelumnya Halobacterium halobium), ditemukan pada tahun 1971.

Bacteriorhodopsin, generator transpor proton yang mengandung retinal, adalah protein transmembran dari 248 asam amino dengan berat molekul 26 kDa, menembus membran dalam bentuk tujuh sebuah- spiral; N- dan C-terminal dari rantai polipeptida terletak di sisi berlawanan dari membran sitoplasma: N-terminus menghadap ke luar, dan C- akhir - di dalam sel (Gbr. 1, 2).

Gambar 1.Model BR pada elemen struktur sekunder. Asam amino telah diisolasi
terlibat dalam transpor proton: residu asam aspartat dalam lingkaran,
residu arginin kuadrat. Dengan Lys-216 (K-216) basis Schiff (SB) terbentuk.
Panah menunjukkan arah transpor proton.

Chromophore BR - aldimine retina terprotonasi dengan sebuah-gugus amino dari residu Lys-216 terletak di bagian hidrofobik dari molekul. Setelah penyerapan kuantum cahaya selama fotosiklus, isomerisasi retina dari semua-E di 13Z- membentuk. Lingkungan mikro protein kromofor dapat dianggap sebagai reseptor dengan spesifisitas substrat untuk semua-E/13Z-retina, yang mengkatalisis isomerisasi ini pada suhu kamar. Selain itu, beberapa asam amino bertanggung jawab atas penekanan isomerisasi selain semua-E/13Z, misalnya dari semua-E- hingga 7Z-, 9Z-, 11Z- retina. Sisa rantai polipeptida menyediakan saluran transpor proton atau melindungi kelompok internal fotokromik dari pengaruh lingkungan.

Topografi timbal balik dari elemen struktur sekunder yang dibentuk oleh rantai polipeptida BR setelah penyerapan kuantum cahaya oleh molekul kromofor berubah, menghasilkan pembentukan saluran untuk transfer transmembran proton dari sitoplasma ke lingkungan eksternal. Namun, mekanisme molekuler dari transpor yang bergantung pada cahaya masih belum diketahui.

Gbr.2.Model skema struktur tiga dimensi (spasial) BR Sevensebuah-heliks membentuk rongga kromofor dan saluran transfer proton transmembran.

BR terkandung dalam membran sel H. salinarum- archaebacteria halofilik yang hidup dan berkembang biak di rawa-rawa garam dan danau, di mana konsentrasi NaCl dapat melebihi 4 M, yaitu 6 kali lebih tinggi daripada di air laut ( ~ 0,6 M). Protein unik ini dalam banyak hal mirip dengan protein visual rhodopsin, meskipun fungsi fisiologisnya berbeda. Sementara rhodopsin visual bertindak sebagai fotoreseptor utama yang memberikan penglihatan gelap untuk sebagian besar vertebrata, peran fisiologis BR adalah untuk memungkinkan halobacteria untuk bertindak sebagai anaerob fakultatif ketika tekanan parsial oksigen di lingkungan rendah. Protein berfungsi sebagai pompa proton yang bergantung pada cahaya, yang memastikan pembentukan gradien elektrokimia proton pada permukaan membran sel, yang, pada gilirannya, berfungsi untuk menyimpan energi. Pekerjaan utama yang dilakukan oleh gradien adalah sintesis ATP melalui fosforilasi anaerobik (fotosintetik) dan, dalam hal ini, adalah contoh klasik dari hipotesis kemiosmotik Mitchell tentang fosforilasi oksidatif. Ketika tidak ada cahaya dan tekanan parsial oksigen tinggi, bakteri kembali ke fosforilasi oksidatif aerobik.
sel H. salinarum juga mengandung dua yang disebut rhodopsin sensorik ( SR I dan SR II), yang memberikan fototaksis positif dan negatif. Berbagai panjang gelombang dibaca SR I dan SR II sebagai molekul detektor, yang menyebabkan riam sinyal yang mengontrol motor flagela bakteri. Dengan bantuan proses dasar persepsi cahaya ini, mikroorganisme secara mandiri bergerak ke dalam cahaya dengan komposisi spektral yang sesuai. Selain itu, sel memiliki halorhodopsin (GH), yang merupakan pompa ion yang bergantung pada cahaya Cl-. Fungsi utamanya adalah untuk mengangkut ion klorida ke dalam sel, yang terus-menerus hilang oleh bakteri, bergerak ke arah dari dalam ke luar di bawah aksi medan listrik yang diciptakan oleh BR. Mekanisme aksi GR tidak jelas. Ini diasumsikan bahwa Cl- mengikat nitrogen kuaterner bermuatan positif dari basa Schiff terprotonasi, dan isomerisasi retina dari semua- E di 13Z-bentuk disebabkan oleh pergerakan nitrogen ini dengan ion yang melekat padanya Cl- dari masukan ke keluaran Cl- - jalur konduksi.

Gbr.3.Bagian dari membran ungu (tampilan atas).

BR terlokalisasi di area membran sel H. salinarum dalam bentuk membran ungu (PM), membentuk kristal dua dimensi dengan kisi heksagonal. Daerah ini mengandung protein itu sendiri, beberapa lipid, karotenoid dan air (Gbr. 3). Mereka biasanya berbentuk oval atau bulat dengan diameter rata-rata sekitar 0,5 mikron dan mengandung sekitar 25 % lipid dan 75 % tupai. PM tahan terhadap sinar matahari, oksigen, suhu lebih dari 80ºC(dalam air) untuk 140ºC(kering), pH dari 0 sebelum 12 , kekuatan ion tinggi (3 M NaCl), aksi sebagian besar protease, sensitif terhadap campuran pelarut organik polar dengan air, tetapi tahan terhadap pelarut non-polar seperti heksana. Yang sangat penting secara praktis adalah kemungkinan yang ada untuk menanamkan PM dalam matriks polimer tanpa kehilangan sifat fotokimia.

Transpor proton yang diinduksi cahaya disertai dengan sejumlah perubahan spektral siklik di BR, yang totalitasnya disebut fotosiklus (Gbr. 4). Tiga puluh tahun penelitian telah menghasilkan pemahaman yang cukup rinci tentang fotosiklus, tetapi rincian transpor proton masih dipelajari.

Siklus fotokimia BR terdiri dari intermediet individu, yang dapat diidentifikasi baik dengan penyerapan maksimal dan oleh kinetika pembentukan dan peluruhan. Gambar 4 menunjukkan model siklus foto BR yang disederhanakan.

Gbr.4.Fotocycle BR.

Tahap fotokimia dan termal masing-masing ditampilkan sebagai panah tebal dan tipis. Simbol vertikal menunjukkan semua-E-konformasi retina (perantara B dan HAI), simbol miring - ke 13Z-konformasi. Dalam gelap, BR berubah menjadi campuran 1:1 D dan B, campuran ini disebut BR teradaptasi gelap. Saat BR menyala, adaptasi cahaya terjadi, mis. transisi ke keadaan dasar B. Dari sana, fotosiklus dimulai, yang mengarah pada pengangkutan proton melintasi membran. Selama transisi L ke M berlangsung sekitar 40 s, basa Schiff terdeprotonasi dan Asp85 menjadi terprotonasi. Dari sana, proton pergi ke luar bagian ekstraseluler dari saluran proton. Selama transisi M ke N aldimin terprotonasi. Residu Asp96 bertindak sebagai donor proton. Asp96 direprotonasi melalui hemichannel proton sitoplasma. Sementara semua transformasi antara intermediet adalah reversibel, transisi dari MI ke MII diyakini sebagai langkah ireversibel utama dalam siklus foto. Selama transisi ini, nitrogen dari basa Schiff menjadi tidak dapat diakses ke bagian ekstraseluler dari saluran proton, tetapi hanya ke setengah saluran sitoplasma, yang dikaitkan dengan perubahan konformasi dalam molekul protein.

Sifat fisikokimia zat antara dicirikan oleh panjang gelombang maksimum penyerapannya dan nilai koefisien kepunahan molar spesifik. Protonasi SB dan konfigurasi residu retinilidena mempengaruhi besarnya maksima absorpsi. Selama fotosiklus BR, beberapa perubahan konformasi yang bergantung pada suhu terjadi pada protein, sehingga pembentukan sebagian besar zat antara dapat ditekan dengan pendinginan.

Selain fotosiklus utama, ada dua keadaan yang dapat diinduksi secara artifisial. Dalam perantara P dan Q konformasi retina 9Z. Ini dicapai setelah eksitasi fotokimia semua-E-retina ketika Asp85 terprotonasi pada saat yang sama. Ini dapat dicapai pada BR tipe liar dengan nilai rendah pH atau deionisasi (pembentukan yang disebut membran biru), namun, preparat tersebut tidak stabil. Pendekatan alternatif adalah mengganti Asp85 asam amino dengan arti yang berbeda pKa, yang tetap tidak dibebankan pada nilai bunga pH atau penghapusan lengkap gugus karboksil dengan metode mutagenesis terarah-situs. Stabilitas membran biru mutan tersebut lebih tinggi.

Sifat unik bacteriorhodopsin menyediakan berbagai aplikasi teknis yang dapat digunakan, namun, hanya optik yang saat ini layak secara komersial, karena integrasinya ke dalam sistem teknis modern adalah yang paling sederhana.

Aplikasi optik didasarkan pada penggunaan film BR - matriks polimer dari berbagai komposisi dengan molekul protein yang termasuk di dalamnya. Untuk pertama kalinya di dunia, film semacam itu berdasarkan BR tipe liar diperoleh dan dipelajari di negara kita dalam kerangka proyek "Rhodopsin"; Pada 1980-an, keefektifan dan prospek penggunaan bahan semacam itu, yang disebut "Biokrom", sebagai bahan fotokromik dan media untuk perekaman holografik, ditunjukkan.

Yang sangat menarik adalah kemungkinan memvariasikan sifat fotokimia film BR:
a) penggantian kromofor alami dengan yang dimodifikasi;
b) pengaruh kimia (fisiko-kimia);
c) substitusi titik residu asam amino tertentu dengan metode rekayasa genetika.

Bahan yang dimodifikasi tersebut mungkin memiliki sifat spesifik yang berharga, yang akan menentukan penggunaannya sebagai dasar elemen biokomputer.

molekul berpikir

Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan di banyak negara telah kembali ke gagasan lama dan sederhana tentang komputer "kimia" di mana perhitungan dilakukan oleh molekul individu. Selama setahun terakhir, para peneliti dari beberapa laboratorium sekaligus telah dapat memperoleh hasil yang cemerlang di bidang ini yang menjanjikan untuk mengubah situasi secara radikal.

Para ilmuwan telah mencapai sukses besar dalam bekerja dengan molekul pseudorotoxan (mereka ditunjukkan pada Gambar. 1).

Mereka berhasil memasukkan molekul seperti itu, yang berbentuk cincin, ke sumbu - molekul linier. Untuk mencegah cincin melompat dari sumbu, fragmen molekul besar melekat pada ujungnya, memainkan peran "kacang" (berbagai kelompok donor digunakan dalam kapasitas ini). Saat bereaksi dengan asam (H+) atau basa (B), cincin dapat meluncur dari satu ujung sumbu ke ujung lainnya, "mengubah" keadaan kimia. Lucu bahwa, pada prinsipnya, pada tingkat molekuler, perangkat mekanis diciptakan kembali, sangat mirip dengan sambungan batang dan roda pada perangkat komputasi pertama, paling primitif, abad ke-17 (namun, jika Anda mau, Anda juga bisa lihat sempoa klerikal paling sederhana dalam struktur molekul ini, dengan satu buku jari di setiap ranting).

Molekul saklar kimia yang elegan ini dipelajari pada awal tahun 90-an, namun, untuk implementasi praktis dari gagasan tersebut, masih diperlukan metode untuk menggabungkan dan mengendalikan susunan minimikrodioda ini. Setelah menciptakan monolayer molekul berorientasi serupa dari jenis ini di permukaan logam (tugas yang sangat sulit ini diselesaikan dengan menggunakan metode perakitan mandiri nanoteknologi terbaru), para ilmuwan menyimpan lapisan emas tertipis di atasnya dan telah membuat prototipe primitif dari gerbang logika atas dasar ini.

Beberapa bulan kemudian, kelompok gabungan Mark Reid dan James Tour (dari Universitas Yale dan Rice) mendemonstrasikan kelas lain dari molekul pengalih kepada publik. Hasilnya sangat mengesankan sehingga majalah "Scientific American" (Juni 2000) bahkan memasang sampul pengumuman "The Birth of Molecular Electronics" (saya ingin menambahkan - akhirnya!). Seperti yang ditulis salah satu penulis dengan bangga: "Kami telah menciptakan sebuah molekul dengan konduktivitas listrik yang bervariasi, yang dapat mengakumulasi elektron atas perintah kami, yaitu, untuk bekerja sebagai perangkat penyimpanan."

Pertama-tama, James Tour, menggunakan teknik khusus, mensintesis rantai molekul unit benzena-1,4-ditiolat dengan panjang 14 nanometer. Gugus dimasukkan ke dalamnya yang menangkap elektron jika molekul "di bawah tegangan". Masalah paling sulit, yang juga diatasi, adalah bahwa sakelar harus merupakan proses kimia yang dapat dibalik. Agar molekul berfungsi sebagai elemen memori, ia harus diajarkan tidak hanya untuk menangkap elektron, tetapi juga menahannya hanya untuk waktu tertentu. Tegasnya, inilah pencapaian utama Reed dan Tour bersama rekan-rekannya.
Saklar elektrokimia (dalam arti istilah yang paling ketat dan paling harfiah!) ditunjukkan pada gambar. 2 (sisi kiri). Ini adalah rantai tiga cincin benzena, ke pusat yang kelompoknya melekat dari sisi yang berlawanan NO2, dan NH2, (disorot dalam warna pada gambar). Konfigurasi molekul asimetris seperti itu menciptakan awan elektron dengan bentuk yang kompleks, menghasilkan efek fisik yang sangat indah dan penting secara fundamental untuk memecahkan masalah: ketika medan diterapkan, molekul berputar, resistansinya berubah, dan mulai mengalirkan arus ( sisi kanan gambar). Ketika medan dihilangkan, molekul berputar ke arah yang berlawanan dan kembali ke keadaan semula. Sakelar berdasarkan prinsip ini adalah rantai linier dari sekitar 1.000 molekul nitrobenzenethiol yang terletak di antara dua kontak logam. Selain itu, pengukuran menggunakan mikroskop tunneling (sebuah fragmen dari rantai molekul disolder di antara elektroda emas berbentuk jarum ultra tipis; geometri eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 3) memungkinkan untuk mendapatkan parameter operasi sakelar, yang dapat dengan tepat disebut karakteristik arus-tegangan molekul dan konduktivitas molekul (Gbr. .four). Kurva konduktansi (yang, omong-omong, ternyata sangat dekat dengan yang dihitung) memiliki penurunan yang jelas. Hal ini memungkinkan untuk mentransfer bagian molekul dari keadaan konduksi ke keadaan non-konduktor, dan sebaliknya, dengan perubahan sederhana pada tegangan yang diberikan. Secara formal dan sebenarnya diperoleh (ahli kimia, tentu saja, lebih suka istilah "mensintesis") triode molekuler. Memang, ini dapat dianggap sebagai tahap pertama dalam penciptaan elektronik molekuler.

Gbr.4 Karakteristik tegangan arus molekul

Kesimpulan

Meskipun dasar-dasar teoretis moletronik telah cukup berkembang dan prototipe dari hampir semua elemen rangkaian logika telah dibuat, namun, kesulitan yang signifikan muncul dalam cara membangun komputer molekuler secara nyata. Kemungkinan yang terlihat jelas menggunakan molekul individu sebagai elemen logis dari perangkat elektronik ternyata sangat bermasalah karena sifat spesifik dari sistem molekul dan persyaratan untuk elemen logis.

Pertama-tama, elemen logis harus memiliki keandalan operasi yang tinggi ketika tindakan kontrol diterapkan. Jika kita mempertimbangkan koneksi optik antara elemen-elemen, maka dalam sistem satu molekul - satu foton, keandalan switching akan rendah karena kemungkinan transisi molekul ke keadaan tereksitasi yang relatif rendah. Seseorang dapat mencoba mengatasi kesulitan ini dengan menggunakan sejumlah besar kuanta secara bersamaan. Tetapi ini bertentangan dengan persyaratan penting lainnya: efisiensi konversi sinyal oleh elemen terpisah harus mendekati kesatuan, yaitu, daya reaksi rata-rata harus sepadan dengan daya tumbukan rata-rata. Jika tidak, ketika elemen digabungkan menjadi rantai, kemungkinan operasinya akan berkurang saat mereka menjauh dari awal rantai. Selain itu, elemen harus secara jelas beralih ke status yang diperlukan dan tetap di dalamnya untuk waktu yang lama - hingga dampak berikutnya. Untuk molekul yang relatif sederhana, persyaratan ini biasanya tidak terpenuhi: jika transisi ke keadaan tereksitasi dapat dikontrol, maka transisi terbalik dapat terjadi secara spontan.

Namun, tidak semuanya begitu buruk. Penggunaan molekul organik besar atau kompleksnya memungkinkan, pada prinsipnya, untuk menghindari kesulitan yang disebutkan. Misalnya, dalam beberapa protein, efisiensi konversi elektron-optik mendekati satu. Selain itu, untuk molekul bioorganik besar, masa hidup keadaan tereksitasi mencapai puluhan detik.

Tetapi bahkan jika elemen komputasi molekuler tunggal tidak memiliki keandalan pendahulunya silikon, operasi yang efisien dari komputer masa depan dapat dicapai dengan menggabungkan prinsip-prinsip moletronik dan komputasi paralel yang digunakan dalam superkomputer. Untuk melakukan ini, Anda perlu membuat beberapa elemen logika molekuler yang identik bekerja secara paralel. Maka operasi yang salah dari salah satunya tidak akan menyebabkan kegagalan yang nyata dalam perhitungan. Superkomputer paralel masif modern dengan ratusan prosesor dapat mempertahankan kinerja tinggi bahkan jika 75% di antaranya gagal. Hampir semua sistem kehidupan menggunakan prinsip paralelisme. Oleh karena itu, ketidaksempurnaan organisme pada tingkat sel atau gen individu tidak mencegah mereka berfungsi secara efektif.

Saat ini di dunia ada lebih dari selusin pusat ilmiah dan teknologi yang terlibat dalam pengembangan perangkat elektronik molekuler. Konferensi tahunan menyatukan ratusan ahli di bidang ini.

Minat besar dalam moletronik tidak hanya disebabkan oleh prospek membangun komputer, tetapi juga oleh kemungkinan luas untuk pengembangan teknologi baru. Karena sensitivitas tinggi perangkat elektronik molekuler terhadap cahaya, mereka dapat digunakan untuk membuat konverter energi matahari yang efisien, mensimulasikan proses fotosintesis, dan mengembangkan kelas detektor gambar baru, yang prinsipnya akan menyerupai pekerjaan mata manusia. . Perangkat molekuler juga dapat digunakan sebagai sensor selektif, hanya menanggapi jenis molekul tertentu. Sensor semacam itu diperlukan dalam ekologi, industri, dan kedokteran. Sebuah sensor yang terbuat dari molekul organik jauh lebih mudah ditanamkan ke dalam tubuh manusia untuk memantau kondisinya.

Untuk memecahkan masalah yang dihadapi elektronika molekuler, diperlukan upaya dari berbagai ilmuwan yang bekerja di bidang pengetahuan akademik mulai dari kimia koloid dan biologi hingga fisika teoretis, serta di bidang teknologi tinggi. Selain itu, investasi keuangan yang signifikan diperlukan.

Juga perlu untuk melatih personel baru yang berkualifikasi tinggi untuk bekerja di area kompleks ini, yang terletak di persimpangan sains. Tapi, ternyata 10-15 tahun lagi akan berperan penting dalam ilmu pengetahuan dan teknologi.