თქვენი კარგი სამუშაოს გაგზავნა ცოდნის ბაზაში მარტივია. გამოიყენეთ ქვემოთ მოცემული ფორმა

სტუდენტები, კურსდამთავრებულები, ახალგაზრდა მეცნიერები, რომლებიც იყენებენ ცოდნის ბაზას სწავლასა და მუშაობაში, ძალიან მადლობლები იქნებიან თქვენი.

2014 წელი

თემა: პოლიმერები და მათი გამოყენება 21-ე საუკუნეში

1. პოლიმერები

1. პოლიმერული პოლიკონდენსაციის მოლეკულის განმარტება

v მისი განმარტებით, პოლიმერი არის მაღალი მოლეკულური წონის ნაერთი, რომელიც შეიცავს საკმარისი რაოდენობით მონომერებს ან „მონომერულ ერთეულებს.

v სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, პოლიმერები არის წრფივი ჯაჭვები, რომლებიც შედგება უფრო დიდი (N>1) რაოდენობის იდენტური ერთეულებისგან. მაგალითად, სინთეზური პოლიმერებისთვის N ~ 102-104.

v როგორც წესი, პოლიმერები არის ნივთიერებები, რომელთა მოლეკულური წონა რამდენიმე ათასიდან რამდენიმე მილიონამდეა.

2. პირველი პოლიმერის წარმოება:

v 1867 წელს რუსმა ქიმიკოსმა ალექსანდრე ბუტლეროვმა მიიღო პირველი პოლიმერი - აქამდე უცნობი პოლიიზობუტილენი.

v და 1910 წელს სერგეი ლებედევმა, ასევე რუსმა ქიმიკოსმა, მოახდინა ხელოვნური რეზინის ((CH3)2C=CH2)n პირველი ნიმუშის სინთეზირება.

3. პოლიმერების მიღების რეაქციები - პოლიკონდენსაცია და პოლიმერიზაცია:

v ძირითადად, ყველა პოლიმერი მიიღება ორი მეთოდით - პოლიკონდენსაციის და პოლიმერიზაციის რეაქციებით.

v მრავალჯერადი (უფრო ხშირად ორმაგი) ბმის შემცველი მოლეკულები შედიან პოლიმერიზაციის რეაქციაში. ასეთი რეაქციები მიმდინარეობს დამატების მექანიზმით, ყველაფერი იწყება ორმაგი ბმების გაწყვეტით (რეაქცია No1 - პოლიეთილენის მიღება):

v ამ ტიპის რეაქცია წარმოქმნის ბევრ პოლიმერს, მათ შორის კაპრონს.

მასპინძლობს http://www.allbest.ru/

2014 წელი

1. პოლიმერების კლასიფიკაცია:

2. პოლიმერების სტრუქტურა:

3. განაცხადი:

v ღირებული თვისებების გამო პოლიმერები გამოიყენება ინჟინერიაში, ტექსტილის მრეწველობაში, სოფლის მეურნეობაში და მედიცინაში. ავტომობილები და გემთმშენებლობა, თვითმფრინავების წარმოება და ყოველდღიურ ცხოვრებაში (ტექსტილები და ტყავის ნაწარმი, კერძები, წებო და ლაქები, სამკაულები და სხვა ნივთები).

v მაკრომოლეკულური ნაერთების საფუძველზე იწარმოება რეზინი, ბოჭკოები, პლასტმასი, ფილმები და საღებავების საფარები.

2. პოლიმერები. განაცხადი 21-ე საუკუნეში

v მეცნიერება დიდი ხანია არ გაჩერებულა და ამ დროის განმავლობაში პოლიმერის აღმოჩენიდან დღემდე შეიქმნა ამ საოცარი ნივთიერების უამრავი მოდიფიკაცია. ზოგიერთი უახლესი განვითარება შემდეგი სამი პოლიმერია, თითოეულს აქვს უნიკალური თვისებები.

1. "ჭკვიანი თიხა"

v ასეთი პლასტილინის ძირითადი კომპონენტია პოლიდიმეთილსილოქსანი - (C2H6OSi) n. ეს პოლიმერი აერთიანებს რამდენიმე უჩვეულო თვისებას. ასე რომ, სხვადასხვა გარემო პირობებიდან გამომდინარე, ის განსხვავებულად იქცევა: მოსვენების დროს სითხესავით ვრცელდება, მკვეთრი მექანიკური ზემოქმედებით იშლება ნაწილებად, როგორც მყარი სხეული.

v "ჭკვიანი პლასტილინი" შემთხვევით იქნა მიღებული, მისმა გამომგონებელმა სილიკონის ზეთი შეურია ბორის მჟავას ახალი სახის რეზინის მიღების იმედით, მაგრამ წებოვანი მასა არ იყო მსგავსი.

2. ჰიდროგელი

v ჰიდროგელი - არის მყარი გრანულები, პოლიმერული ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია რამდენიმე საათში ათჯერ გაიზარდოს მოცულობა. მხოლოდ წყალია საჭირო, გრანულები ადიდდება, ცვილივით რბილი გახდება, როცა წყალი აორთქლდება, ისევ იკუმშება და გამკვრივდება. ასეთ ნივთიერებებს სუპერ შთამნთქმელებს უწოდებენ, ისინი არამარტო შთანთქავენ უზარმაზარ რაოდენობას წყალს, ადიდებულმა პოლიმერი ინახავს მას შიგნით საკუთარი მოლეკულებით.

v როცა გამხსნელი შეიწოვება პოლიმერის მიერ, ხვეულები იჭიმება, ე.ი. საწყის მდგომარეობაში, შეკუმშული პოლიმერული ხვეული შთანთქავს გამხსნელს, როგორიცაა წყალი, და ის შედის კოჭის შიგნით.

v ეს პრინციპი ასევე ემყარება ეკო ნიადაგებს, ჰიდროგელებს, რომლებიც გამოიყენება სოფლის მეურნეობაში. ჩვეულებრივ, მცენარეების მორწყვისას, წყლის უმეტესი ნაწილი ნიადაგის ღრმა ფენებში გადადის. ნიადაგში დამატებული ჰიდროგელი არ აძლევს მას თითებში გაჟონვის საშუალებას, მაშინაც კი, თუ მცენარემ გრანულით ფესვი გაიდგას, მისგან წყალი არ გადმოიღვრება.

v ვინაიდან წყლის მოლეკულა ჩადგმულია ჰიდროგელის პოლიმერული ჯაჭვების შიგნით, ჰიდროგელის ფიზიკური განადგურების დროს წყლის გადინება არ შეინიშნება და სისტემა ინარჩუნებს იგივე თვისებებს, როგორც განადგურებამდე.

v სუპერ შთამნთქმელის მუშაობის ყველაზე თვალსაჩინო მაგალითია ბავშვთა ერთჯერადი საფენები, მათაც კი, ვინც არ შეხვედრილა, იცის როგორ მუშაობს. მრავალშრიანი კონსტრუქცია შეიცავს იგივე სითხის შთამნთქმელ პოლიმერს, როგორც ღრუბელს. ჰიდროგელი, მსგავსი ნივთიერება საფენიდან, ასევე შეუძლია შეასრულოს უფრო სერიოზული სამუშაოები, მაგალითად, ნავთობის ინდუსტრიაში.

v ნავთობის წარმოებაში დიდი ხანია სერიოზული პრობლემებია. ამოტუმბვისას ყოველ ტონა „შავ ოქროს“ სამი ტონა წყალია. უზარმაზარი თანხები იხარჯება ზეთის ჭარბი სითხის გაწმენდაზე. დიდი ხნის განმავლობაში მეცნიერები ეძებდნენ გზას, რათა ნავთობი წყლისგან გამოეყოთ მილსადენში შესვლამდე, გამოსავალი აღმოაჩინეს მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში.

v პოლიმერული სითხე შეედინება ნავთობის ჭაბურღილში და განსხვავებულად იქცევა იმისდა მიხედვით, ჭაბურღილი წყლის რეზერვუარში გადის თუ ნავთობის რეზერვუარში.

v მოქმედების პრინციპი საკმაოდ მარტივია. ჭაბურღილში მოხვედრისას პოლიმერული სითხე განსხვავებულად რეაგირებს ზეთსა და წყალზე, ის არ რეაგირებს „შავ ოქროსთან“, მაგრამ როცა პოლიმერი გზაზე წყალს ხვდება, მაშინვე შთანთქავს მას. ადიდებულმა გელი ჭუჭყიან წყლის ფენას და არ უშვებს მას. ჰიდროგელის გაფართოება დამატებით ზეწოლას ქმნის ზეთზე, რაც იწვევს მის გამოწურვას სუფთა მდგომარეობაში.

3. „ჭკვიანი წამალი

v ზოგიერთ პოლიმერს აქვს გარე გარემოში ცვლილებებზე რეაგირების უნარი, ამიტომ „ჭკვიანი პლასტილინი“ იცვლის ფერს ტემპერატურის მიხედვით. ცივ წყალში შესამჩნევად ბნელდება, ოთახის ტემპერატურის წყალში გადაყვანის შემთხვევაში უბრუნდება პირვანდელ ფერს. ტემპერატურის ცვლილებისას იცვლება ხვეულის სიმკვრივე, ე.ი. რაც უფრო დაბალია ტემპერატურა, მით უფრო მცირეა ხვეულის მოცულობა და ამგვარად, როდესაც ტემპერატურა იკლებს, საღებავი გამოწურულია, ხოლო მისი ჩაწურვისას, საღებავი ხვდება ხვეულში, რაც იწვევს ფერის შეცვლას.

v პოლიმერი შთანთქავს საღებავს, როგორც ღრუბლის წყალი, მაგრამ რა მოხდება, თუ საღებავი წამალით ჩანაცვლდება, შეძლებს თუ არა პოლიმერი წამლის სწორი დოზის გაცემას კონტროლირებადი გზით? ცოცხალ ორგანიზმში არის ისეთი მიმართული სატრანსპორტო ნარკოტიკი, ამ პრობლემას, რომელიც წყდება და რომელიც უნდა გადაჭრას, საკმაოდ სერიოზულად ებრძვიან.

v ნარკოტიკების უმეტესობა იხარჯება. ტაბლეტმა არ იცის როგორ მოძებნოს დაავადებული ორგანო, კუჭში დაშლის შემდეგ, ის მთელ სხეულში გაიფანტება სისხლის მეშვეობით, წამლის არაუმეტეს 10% მიაღწევს სწორ ადგილს. იდეალურ შემთხვევაში, პრეპარატი პირდაპირ უნდა გადავიდეს დაავადებულ ორგანოში და არ გამოიწვიოს გვერდითი მოვლენები.

v „ჭკვიან პოლიმერებს“ შეუძლიათ რეაგირება არა მხოლოდ ტემპერატურაზე, ისინი მგრძნობიარენი არიან გარემოს ნებისმიერ ცვლილებაზე, რომლისთვისაც დაპროგრამდება. ვიცით, რომ დაზიანებას თან ახლავს მჟავიანობა; გარემო ხდება მჟავე, მაგრამ ეს ჰელიუმი იქმნება ისე, რომ გამჟავებისას ოდნავ იკუმშება და მასში შეყვანილი წამალი ანაცვლებს.

v პოლიმერული გელის საფუძველზე შეიქმნა უნიკალური წამალი - ჭრილობის სამკურნალო ჰიდროგელები. ჰიდროგელი შედგება რვა კომპონენტისგან, რომლებიც შერეულია გამოხდილ წყალში გარკვეული თანმიმდევრობით. სამრეწველო მასშტაბით, თითოეულ კომპონენტს ემატება გარკვეული დროის ინტერვალით; რეაქციის დროს ეს ნივთიერებები ქმნიან სტაბილურ პოლიმერულ სტრუქტურას, რომელშიც შემდეგ ემატება პრეპარატი.

v გელი არის სატრანსპორტო საშუალება, რომელიც შეიცავს წამალს მიკროკაფსულებში, მას ასევე უწოდებენ "ჭკვიან გელს" - რადგან, მიუხედავად იმისა, თუ ვინ იყენებს მას, ის ეძებს და პოულობს დაზიანებებს და დახმარებას უწევს. როგორც ჰიდროგელის ნაწილი, არა ერთი, არამედ რამდენიმე წამალი ერთდროულად, ერთხელ ჭრილობაზე, პოლიმერი აძლევს მათ თავის მხრივ, იმისდა მიხედვით, თუ რა სჭირდება ორგანიზმს ანესთეზირებისთვის ან შეხორცების პროცესის დასაწყებად, წამალი მიეწოდება ჭრილობას თანდათანობით და დიდი ხნის განმავლობაში, შემდეგ კი უბრალოდ შეიძლება ჩამოიბანოთ წყლით. ამ ნამუშევრამდე რუსეთში მსგავსი არაფერი იყო.

v კაფსულის (ტაბლეტის) გარსი მუშაობს იმავე პრინციპით, იგი დამზადებულია სპეციალური პოლიმერისგან, პასუხისმგებელია არა მხოლოდ მედიკამენტების დანიშნულების ადგილამდე მიტანაზე, არამედ წამლის გარკვეული დოზის გამოყოფაზეც. ხანგრძლივი დროის განმავლობაში.

ბიბლიოგრაფია

1. en.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

მასპინძლობს Allbest.ru-ზე

...

მსგავსი დოკუმენტები

მარტივი მონომერული მოლეკულებისგან მაკრომოლეკულური ნაერთის წარმოქმნა პოლიმერიზაციისა და პოლიკონდენსაციის რეაქციების დროს. პოლიკონდენსაციის პროცესი არის ეტაპობრივი პროცესი, რომლის დროსაც მიღებული პროდუქტები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. მოლეკულური ჯაჭვები.

რეზიუმე, დამატებულია 01/28/2009


პოლიმერების ცნებისა და სტრუქტურის შესწავლა, მათი კლასიფიკაცია წარმოშობის, მოლეკულების ფორმის, ბუნების მიხედვით. მიღების ძირითადი მეთოდების მახასიათებლები - პოლიკონდენსაცია და პოლიმერიზაცია. პლასტმასი და ბოჭკოები. პოლიმერების გამოყენება მედიცინასა და მშენებლობაში.

პრეზენტაცია, დამატებულია 10/12/2015


ემულსიური პოლიმერიზაციის და აკრილის მონომერების კოპოლიმერიზაციის პრაქტიკული განხორციელება, რეაქციის სიჩქარე და კინეტიკა, გავლენის ფაქტორები. კონცენტრირებული ემულსიის წინასწარი შექმნის მეთოდი, მიკროემულსიის ფორმირება და მისი დისპერსიის ანალიზი.

სტატია, დამატებულია 02/22/2010


პოლიკონდენსაციის რეაქციების კლასიფიკაცია, მისი კურსის სიღრმე, კაროთერის განტოლება. სხვადასხვა ფაქტორების გავლენა მოლეკულურ წონაზე და პოლიმერის გამოსავლიანობაზე პოლიკონდენსაციის დროს. რეაქციის მეთოდები. პოლიკონდენსაციის რეაქციით მიღებული პოლიმერები.

ტესტი, დამატებულია 09/19/2013


პოლიეთილენი არის მაღალმოლეკულური წონის ნაერთი, ეთილენის პოლიმერი; თეთრი მყარი პროდუქტი, მდგრადია ზეთების, აცეტონის, ბენზინის და სხვა გამხსნელების მიმართ. პოლიეთილენის ფარგლები. პოლიეთილენის მილების ფარგლები და მათი ძირითადი უპირატესობები.

რეზიუმე, დამატებულია 27/10/2010


პოლიმერების ზოგადი კონცეფცია. მაკრომოლეკულური ნაერთების მიღების პროცესი. ბიოთავსებადი მასალები და მოწყობილობები. ორგანული, ორგანული ელემენტი, არაორგანული პოლიმერები. ბუნებრივი ორგანული პოლიმერები. ბიოადჰეზივების გამოყენება არაინვაზიურ თერაპიაში.

რეზიუმე, დამატებულია 04/23/2013


რა არის პოლიმერები და პოლიმერული მეცნიერების განვითარების თავისებურებები. მაღალი და დაბალი მოლეკულური წონის ნაერთების თვისებებში განსხვავებების აღწერა. პოლიმერული წარმოების განვითარების ისტორია. პოლიმერების ფორმირების, წარმოების და გავრცელების ტექნოლოგიური პროცესი.

რეზიუმე, დამატებულია 06/12/2011


პოლიმერიზაციის, პოლიკონდენსაციის რეაქციების დროს მონომერული მოლეკულებისგან მაღალმოლეკულური ნაერთის წარმოქმნა. პოლიკონდენსაციის პროცესი არის ეტაპობრივი პროცესი, რომლის დროსაც მიღებული პროდუქტები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. კატალიზური პოლიმერიზაცია.

რეზიუმე, დამატებულია 01/28/2009


პოლიმერები, როგორც ორგანული და არაორგანული, ამორფული და კრისტალური ნივთიერებები. მათი მოლეკულების სტრუქტურის თავისებურებები. ტერმინი "პოლიმერიის" ისტორია და მისი მნიშვნელობა. პოლიმერული ნაერთების კლასიფიკაცია, მათი ტიპების მაგალითები. გამოყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში და ინდუსტრიაში.

პრეზენტაცია, დამატებულია 11/10/2010


პოლიმერების კლასიფიკაცია, სტრუქტურა, მათი გამოყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში და ყოველდღიურ ცხოვრებაში. მონომერისგან პოლიმერის წარმოქმნის რეაქცია არის პოლიმერიზაცია. პოლიპროპილენის მიღების ფორმულა. პოლიკონდენსაციის რეაქცია. სახამებლის ან ცელულოზის მიღება.

პოლარული პოლიმერები ხასიათდება მუდმივი დიპოლების არსებობით მათ სტრუქტურაში. თუ პოლიმერის კონფორმაცია მკაცრად არის დაფიქსირებული, მოლეკულის შედეგად მიღებული მომენტი განისაზღვრება ცალკეული სეგმენტების მომენტების დამატებით ან გამოკლებით. ზოგადად, პოლიმერის მოლეკულები არ არის ერთ ფიქსირებულ კონფორმაციაში და ექსპერიმენტული მნიშვნელობა, rms დიპოლური მომენტი, არის საშუალო მრავალი განსხვავებული კონფორმაციისთვის.

პოლარული პოლიმერებისთვის, გამტარიანობა განისაზღვრება არა მხოლოდ ელექტრონული, არამედ რეზონანსული და რელაქსაციის პოლარიზაციით. რეზონანსული პოლარიზაციის დამყარების დამახასიათებელი დრო დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და არის 10-13 -10-12 წმ. რელაქსაციის პოლარიზაციის დამყარების დრო დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და განსხვავდება სიდიდის მრავალი რიგით. ამრიგად, პოლარული პოლიმერების გამტარიანობა მცირდება სიხშირით და კომპლექსურად დამოკიდებულია ტემპერატურაზე.

პოლარული პოლიმერებისთვის, რომლებსაც აქვთ უფრო მაღალი გამტარობა, ვიდრე არაპოლარული, მოლური პოლარიზაცია მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. მიმართება (1.5) ამ შემთხვევაში გარდაიქმნება ფორმაში

სად არის მოლეკულის დეფორმაციის პოლარიზადობის ტენზორის კომპონენტები, არის მისი მუდმივი (შედეგი) მოლეკულის დიპოლური მომენტი, არის ბოლცმანის მუდმივი, არის ტემპერატურა. განტოლებას (1.6) ხშირად უწოდებენ დების განტოლებას მოლარული პოლარიზაციისთვის.

ატომური ჯგუფების დიპოლური მომენტები არსებითად დამოკიდებულია მათი ქიმიური კავშირის ტიპზე იმ მოლეკულასთან, რომელშიც ისინი შედიან. მოლეკულასა და მის გარემოს შორის ძლიერი ადგილობრივი ურთიერთქმედების გათვალისწინების აუცილებლობა და, ამის შედეგად, ადგილობრივი

შეკვეთისას გათვალისწინებული იყო კორელაციის კოეფიციენტის შემოღება, რომელიც განისაზღვრა:

სადაც არის სისტემაში უახლოესი მოლეკულების რაოდენობა, γ არის კუთხე მოლეკულას შორის საცნობარო წერტილსა და მის უახლოეს მეზობელს შორის. კორელაციის კოეფიციენტისა და ფროლიხის მიერ განხორციელებული ზოგიერთი სხვა გაუმჯობესების გათვალისწინებით, საბოლოო შედეგი იყო შემდეგი განტოლება (ე.წ. Fröhlich-ის განტოლება), რომელიც აკავშირებს მაკროსკოპულ გამტარიანობას მოლეკულის დიპოლურ მომენტთან:

სად არის სინათლის გარდატეხის მაჩვენებელი მოცემულ დიელექტრიკში.

ყველა პოლარულ პოლიმერში გამოიყოფა რელაქსაციის დანაკარგების ორი ტიპი: დიპოლურ-სეგმენტური და დიპოლური ჯგუფი. პირველი ტიპი განპირობებულია მაკრომოლეკულების ფართომასშტაბიანი სეგმენტების გადაადგილებით, რომლებიც შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ძირითადი მოლეკულური ჯაჭვის მრუდის ვიბრაციები. დანაკარგის მეორე ტიპი დაკავშირებულია მაკრომოლეკულის გვერდით ტოტებში შემავალი მცირე პოლარული ჯგუფების ბრუნვასთან. დიპოლური ჯგუფის დაკარგვის მაქსიმუმის რამდენიმე რეგიონი (β, γ, δ) შეინიშნება, როდესაც პოლიმერს აქვს პოლარული ჯგუფები განსხვავებული მობილურობით. გაითვალისწინეთ, რომ პოლარული ჯგუფების გარკვეული მობილურობა შენარჩუნებულია ჰელიუმის ტემპერატურამდე.

პოლიმერის პოლარობის მატებასთან ერთად იზრდება დიელექტრიკული დანაკარგები ელექტრული გამტარობის გამო. ისინი შეინიშნება მაღალ ტემპერატურაზე დაბალ სიხშირეზე და იზრდება ექსპონენტურად ტემპერატურის მატებასთან ერთად.

კავშირები დირიჟორებსა და მიკროსქემის კომპონენტებს შორის სხვადასხვა ელექტრონულ ჩიპებში, რაც მათ საშუალებას აძლევს გაზარდონ სიჩქარე.

პოლიიმიდები განიხილება თანამედროვე მიკროელექტრონიკაში, როგორც ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული საიზოლაციო მასალა. ამ პოლიმერებს აქვთ კარგი თერმული, მექანიკური და ელექტრული თვისებები, რაც შეიძლება კიდევ უფრო გაუმჯობესდეს, თუ მათი დიელექტრიკული მუდმივი შემცირდება. ერთ-ერთ უმარტივეს არომატულ პოლიიმიდს აქვს შემდეგი სტრუქტურული ფორმულა:

პოლიიმიდის დიელექტრიკული მუდმივის შესამცირებლად, შემოთავაზებული იქნა წყალბადის ზოგიერთი ატომის შეცვლა ფტორის ატომებით, რადგან C–F ბმების პოლარიზებადობა ნაკლებია, ვიდრე C–H ბმები. C–F ბმა არის ძალიან პოლარული, რაც, მიუხედავად ამისა, არ იმოქმედებს მაღალ სიხშირეებზე გამტარიანობაზე, მაგრამ შეიძლება გამოიწვიოს დაბალ სიხშირეებზე მატება. თუმცა, პოლიიმიდები ჩვეულებრივ გამოიყენება მინის გადასვლის ტემპერატურაზე დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ორიენტაციის პოლარიზაცია რთულია და არ ახდენს შესამჩნევ წვლილს სამუშაო სიხშირის დიაპაზონში. უფრო მეტიც, სიმეტრიული ჩანაცვლების გამოყენება ხელს უწყობს დიპოლური მომენტის თავიდან აცილებას:

ფტორირებული პოლიიმიდების გამოყენება შესაძლებელს ხდის დიელექტრიკული მუდმივის შემცირებას 3.4-დან 2.8-მდე.

დიელექტრიკული მუდმივის შემცირების კიდევ ერთი გზაა პოლიმერულ მასალაში თავისუფალი მოცულობის1 ფრაქციის გაზრდა. თავისუფალი მოცულობის ზრდა იწვევს პოლარიზებადი ჯგუფების რაოდენობის შემცირებას მოცულობის ერთეულზე, რითაც ამცირებს პოლიმერის დიელექტრიკულ მუდმივას. შეფასებები აჩვენებს, რომ ეს მეთოდი შესაძლებელს ხდის ნებართვის მნიშვნელობის შემცირებას რამდენიმე ათეული პროცენტით საწყის მნიშვნელობასთან შედარებით.

ზოგადად, ორივე მეთოდის გათვალისწინებით, შეიძლება დავასკვნათ, რომ დაბალი გამტარიანობის მქონე მოლეკულური სტრუქტურების შექმნისას, თავისუფალი მოცულობის რეგულირება ისეთივე მნიშვნელოვანია, როგორც ფუნქციური ჯგუფების შერჩევა დაბალი პოლარიზადობით.

დაბალი დიელექტრიკული მუდმივის მქონე პოლიმერული დიელექტრიკების შექმნასთან ერთად, ბოლო წლებში აქტუალური გახდა კიდევ ერთი პრობლემა - თხელფენიანი პოლიმერული დიელექტრიკული მასალების შექმნა დიელექტრიკული მუდმივის ულტრა მაღალი მნიშვნელობით. ისინი უნდა იქნას გამოყენებული როგორც კარიბჭე დიელექტრიკული ფენები ორგანულ ველის ეფექტის ტრანზისტორებში (OPTs). რიგი სპეციფიკური მოთხოვნები დაწესებულია OPT-ების კარიბჭის დიელექტრიკებზე. ამ ფენებს უნდა ჰქონდეს მაღალი დიელექტრიკული მუდმივი, დაბალი გამტარობა და დანაკარგები და მათი სისქე არ უნდა აღემატებოდეს რამდენიმე ასეულ ნანომეტრს. ამჟამად, არაორგანული ოქსიდების თხელი ფენები, როგორიცაა SiO2, Ta2 O5, Al2 O3 და მრავალი სხვა, ფართოდ გამოიყენება როგორც კარიბჭე დიელექტრიკული ფენები OPT-ების წარმოებაში. ამ ოქსიდების გამტარობა არის დაახლოებით 6-30 ფენის სისქეზე 5-დან 500 ნმ-მდე.

1 პოლიმერში თავისუფალი მოცულობა არის ატომების მიერ დაკავებული მოცულობის დამატებითი მოცულობა, მათი ვან დერ ვაალის რადიუსზე, მოცულობაზე დაყრდნობით.

არაორგანული ოქსიდიდან პოლიმერულ დიელექტრიკულ ფენებზე გადასვლის პრობლემა დაკავშირებულია OPT-ების წარმოების ტექნოლოგიის გამარტივების აუცილებლობასთან, რადგან რთულია ოქსიდის დიელექტრიკებით OPT-ების წარმოებისთვის "პრინტერი"1 ტექნოლოგიის დანერგვა.

პოლარული პოლიმერული დიელექტრიკები უნდა ჩაითვალოს პერსპექტიულ მასალად, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ამ მიზნებისათვის. განსაკუთრებით საინტერესოა პოლიმერული დიელექტრიკები, რომელთა მოლეკულები შეიცავს პოლარულ ჯგუფებს დიდი დიპოლური მომენტით. პოლიმერული დიელექტრიკის ამ კლასის ტიპიური წარმომადგენელია პოლივინილის სპირტის ციანური ეთერი (CEPS). CEPS მონომერული ერთეულის სტრუქტურულ ფორმულას აქვს ფორმა

CEPS ხასიათდება დიელექტრიკული მუდმივის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალი მნიშვნელობით ცნობილ პოლიმერულ მასალებს შორის. ამ პოლიმერის ε მნიშვნელობა დაახლოებით 103 ჰც სიხშირეზე არის

15, და tgδ არ აღემატება 0.1 - 0.15.

CEPS-ის ასეთი მნიშვნელოვანი გამტარიანობა განპირობებულია მაღალპოლარული ნიტრილის (CN) არსებობით, კარ-

ბონილის (C=O) და ჰიდროქსილის (OH) ჯგუფები, რომლებსაც შეუძლიათ ორიენტირება გარე ელექტრული ველის მოქმედებით (ნახ. 1.12). ამ ჯგუფების ხელსაყრელი ორიენტირებით უზრუნველყოფილია დიპოლური მომენტის მაქსიმალური მნიშვნელობა, რომელიც უდრის 5,13 D-ს, მაგრამ საშუალოდ ჯამური

1 OPT-ის "პრინტერის" წარმოების ტექნოლოგია ეფუძნება ჭავლური ბეჭდვის მეთოდს, ასევე მიკროკონტაქტური ბეჭდვისა და თერმოტრანსფერული ბეჭდვის ბეჭდვის მეთოდს.

მონომერული ერთეულის დიპოლური მომენტი (კორელაციის კოეფიციენტის g = 0,84 გათვალისწინებით) არის 3,63 D.

ბრინჯი. 1.12. CEPS მონომერული ერთეულის მნიშვნელოვანი დიპოლური მომენტი წარმოიქმნება პოლარული ჯგუფების ორიენტაციის შედეგად.

პოლიმერული დიელექტრიკები ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ელექტრონულ მოწყობილობებში. ორგანულ ელექტრონიკაში ისინი ყველაზე ხშირად გამოიყენება თხელი ფირების სახით, ამიტომ შედარებით დაბალ სამუშაო ძაბვაზეც კი, მათში ელექტრული ველის სიძლიერე მნიშვნელოვან მნიშვნელობებს აღწევს. მართლაც, 100 ნმ სისქის ფილმში, როდესაც ის ექვემდებარება ძაბვას 10 ვ, საშუალო ველის სიძლიერე უკვე არის 106 ვ/წმ, მაგრამ პოლიმერის ადგილობრივ რეგიონებში, მაგალითად, ამორფული ან კრისტალური საზღვარზე. რეგიონებში ან ელექტროდი-პოლიმერის ინტერფეისზე, მას შეუძლია მნიშვნელოვნად გადააჭარბოს ამ მნიშვნელობას. ამრიგად, პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია თხელი პოლიმერული ფირების ელექტრულ სიძლიერესთან და მათ მოქმედებასთან ძლიერ ელექტრულ ველში, უმნიშვნელოვანესია.

დღეისათვის დადგენილია, რომ ფილმების ელექტრული განადგურება არ არის კრიტიკული მოვლენა, რომელიც ხდება ველის გარკვეული სიძლიერის მიღწევისას. მათი სიცოცხლის ხანგრძლივობა ელექტრულ ველში (გამძლეობა) ექსპონენტურად მცირდება მისი ინტენსივობის მატებასთან ერთად. ელექტრო განადგურება მიერ

პოლიმერული ფილმები შეიძლება განიხილებოდეს, როგორც პროცესი, რომელიც შედგება ორი თანმიმდევრული ეტაპისგან. პირველ (მოსამზადებელ) ეტაპზე ხდება ელექტრული ველის მიერ ინიცირებული მაკრომოლეკულების დაზიანების დაგროვება. ამ ეტაპის ხანგრძლივობა განსაზღვრავს ფილმის ნიმუშის გამძლეობას ელექტრულ ველში (დრო პოლიმერზე ძაბვის გამოყენების მომენტიდან დაშლამდე). მეორე (საბოლოო) ეტაპზე პოლიმერული დიელექტრიკი კარგავს უნარს გაუძლოს მაღალი სიმკვრივის დენის ნაკადს, შეინიშნება მისი მკვეთრი ზრდა, ანუ ხდება ელექტრული ავარია.

მრავალი პოლიმერის ფირის ელექტრული სიძლიერე შესწავლილი იყო მუდმივი, ალტერნატიული და იმპულსური ძაბვის დროს. ჩატარებული კვლევები აჩვენებს, რომ პოლიმერების თხელი ფენების დაშლა

პიროვნული ტიპები გვხვდება (2–6) 108 ვ/მ ინტენსივობის ველებში.

ეს მნიშვნელობა პრაქტიკულად არ განსხვავდება ველის სიძლიერისგან, რომელშიც, შეზღუდული ნაწილობრივი გამონადენის პირობებში, უფრო სქელი პოლიმერული ფილმები იშლება.

მნიშვნელოვანი ფაქტორები, რომლებიც დიდწილად განსაზღვრავს მიდგომებს, რომლებიც გამოიყენება თხელი ფენიანი პოლიმერული სტრუქტურების ელექტრული დაშლის მექანიზმის გასათვალისწინებლად, არის მათი ელექტრული სიცოცხლის დამოკიდებულება ველის სიძლიერეზე და ძაბვის აწევის სიჩქარის და ელექტროდის მასალის გავლენა დაშლის სიძლიერეზე.

ელექტრული ველის სიძლიერის დაკვირვებული ეფექტი გამძლეობაზე და ძაბვის აწევის სიჩქარეზე დაშლის სიძლიერეზე, როგორც ჩანს, ძალიან მნიშვნელოვანი ფაქტია, რადგან ეს შეიძლება ჩაითვალოს იმის მანიშნებლად, რომ თხელი პოლიმერული ფენების ელექტრული განადგურება ნამდვილად არის შედეგი. დაზიანების (ცვლილებების) თანდათანობითი დაგროვება, რომელიც მთავრდება ავარიით. ამ პროცესის დროს იქმნება პირობები, როდესაც დროის გარკვეულ მომენტში, ძლიერი ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ, პოლიმერული დიელექტრიკი კარგავს თავის „დიელექტრიკას.

თვისებები“ და შეუძლია მნიშვნელოვანი დენების გავლა, რაც იწვევს მის განადგურებას (დაშლას) სითბოს გამოყოფის გამო.

პოლიმერული მასალის დეგრადაცია ელექტრულ ველში ხდება პოლიმერის მოლეკულებში ქიმიური ბმების გაწყვეტის, მუხტების რეკომბინაციის დროს ენერგიის გამოთავისუფლების და მაღალი სიმკვრივის დენის დინების დროს სითბოს გამოყოფის გამო.

1.6. პოლიმერები საკუთარი გამტარობით

მთავარი განსხვავება პოლიმერულ დიელექტრიკებსა და შინაგანი ელექტრონული გამტარობის პოლიმერებს შორის არის ის, რომ პირველი არ შეიცავს კონიუგირებულ ქიმიურ ბმებს, რასაც ეს უკანასკნელი შეიცავს.

გამტარ პოლიმერების მრავალფეროვნებას შორის, A.V. ვანნიკოვის მიერ შემოთავაზებული კლასიფიკაციის შესაბამისად, დამუხტვის მატარებლების ტრანსპორტირების მახასიათებლების საფუძველზე, პირობითად შეიძლება გამოიყოს შემდეგი ჯგუფები.

1. გამტარობა განისაზღვრება მუხტის მატარებლების ტრანსპორტირებით პოლიმერული პოლიკონიუგირებული ჯაჭვების გასწვრივ. პოლიმერების ამ ჯგუფის ტიპიური წარმომადგენლები არიან ორიენტირებული პოლიაცეტილენი, პოლითიოფენი, პოლიპიროლი.

2. მუხტის მატარებლები მოძრაობენ პოლიმერული პოლიკონიუგირებული ჯაჭვების გასწვრივ, მაგრამ მთლიანი ტრანსპორტი განისაზღვრება პოლიმერის ჯაჭვებს შორის მუხტის გადამზიდავებით. ამ დიდ ჯგუფში შედის პოლიფენილენ ვინილინის, პოლიმეთილფენილსილილენის და სხვათა მრავალრიცხოვანი წარმოებულები. აქვე უნდა აღინიშნოს, რომ მოლეკულური მუხტის გადაცემა მნიშვნელოვნად აფერხებს ტრანსპორტირებას, ამიტომ მუხტის მატარებლების მობილურობა ასეთ პოლიმერებში მნიშვნელოვნად დაბალია, ვიდრე ინტრამოლეკულური მობილურობა.

3. ლოკალიზებული სატრანსპორტო ცენტრები განლაგებულია პოლიმერის ძირითად ჯაჭვში, რომელსაც არ გააჩნია პოლიკონიუგაცია, მაგალითად, პოლიიმიდი, რომელიც შეიცავს ტრიფენილამინს ან ანტრაცენის სატრანსპორტო ჯგუფებს ძირითად ჯაჭვში.

4. ლოკალიზებული სატრანსპორტო ცენტრები პოლიმერული ხერხემლის გვერდითი შემცვლელებია. მათ შორისაა პოლივინილკარბაზოლი, პოლიეპოქსიპროპილკარბაზოლი, პოლივინილ ანტრაცენი და ა.შ.

5. ბოლო, ყველაზე ვრცელი ჯგუფი მოიცავს პოლიმერებს, რომლებიც დოპირებულია აქტიური დაბალი მოლეკულური წონის ნაერთებით. ასეთ ნაერთებში ეს არის პოლიმერული მატრიცა, რომელიც, როგორც წესი, განსაზღვრავსსისტემის ფიზიკურ-მექანიკური და სპექტრული თვისებები.

პოლიმერების გამტარობის მექანიზმი, რომლებიც მიეკუთვნება 2-5 ჯგუფს, არის ხტუნვა და დაკავშირებულია მუხტის მატარებლების გადატანასთან სატრანსპორტო ცენტრებში. თავისი ბუნებით და დაკვირვებული კანონზომიერებებით, იგი წააგავს მობილობის ხტუნვის მექანიზმს. პოლიმერის ბუნებიდან გამომდინარე, მათში მობილურობა შეიძლება იყოს ელექტრონი ან ხვრელი.

ხვრელის ტრანსპორტირება ხორციელდება სატრანსპორტო ცენტრების მეშვეობით, რომლებსაც აქვთ მინიმალური იონიზაციის პოტენციალი. ჩვეულებრივ, ეს არის არომატული ამინის ჯგუფები ან ნაერთები. ხვრელის ტრანსპორტი დაკავშირებულია ელექტრონის ნახტომთან ნეიტრალური სატრანსპორტო ცენტრის უმაღლესი შევსებული მოლეკულური ორბიტალიდან (HOMO დონე) მეზობელი დადებითად დამუხტული სატრანსპორტო ცენტრის მოლეკულურ ორბიტალამდე.

ელექტრონების ტრანსპორტირება ხდება სატრანსპორტო ცენტრებში, რომლებსაც ახასიათებთ ელექტრონების მაქსიმალური აფინურობა. ყველაზე ხშირად, ჟანგბადის შემცველი ჯგუფები მოქმედებენ ასეთ ცენტრებად. უარყოფითად დამუხტული ცენტრის მოლეკულური ორბიტალიდან ელექტრონი გადადის მეზობელი ნეიტრალური სატრანსპორტო ცენტრის ყველაზე დაბალ თავისუფალ ორბიტალზე (LUMO დონეზე).

გამტარობა,

სტრუქტურული ფორმულა დასახელება

პოლიაცეტილენი 10 4

პოლიფენილენი 10 3

პოლიპიროლი 10 3

პოლითიოფენი 10 3

პოლიანილინი 10 2

ბრინჯი. 1.13. გამტარ პოლიმერების სტრუქტურული ფორმულები

პირველ ჯგუფს მიკუთვნებული პოლიმერების ელექტროგამტარობა განისაზღვრება პოლიმერული ჯაჭვების ელექტრული გამტარობით. ეს პოლიმერები არის პოლიმერები მაღალი მუქი გამტარობით. სტრუქტურული ფორმულები და ზოგიერთი მათგანის სპეციფიკური გამტარობა წარმოდგენილია ნახ. 1.13.

-/a 0 /a

ბრინჯი. 1.14. ენერგიის დამოკიდებულების დიაგრამა ელექტრონის ტალღურ ვექტორზე მონოატომურ წრფივ ჯაჭვში (a) და მდგომარეობების სიმკვრივე g (E)

ამ ჯაჭვისთვის (ბ). მდგომარეობები, რომლებიც დაკავებულია ელექტრონებით T = 0-ზე, დაჩრდილულია

ისტორიული ფლეშბეკი
მაღალი ელექტრული გამტარობის, ფსევდომეტალური და ნახევარგამტარული თვისებების მქონე პოლიმერები მიღებულ იქნა ჯერ კიდევ 1960-იან წლებში. ამ კლასის პოლიმერის კლასიკური მაგალითია პოლიაცეტილენი. პოლიკონიუგირებული ქიმიური ბმების გამო, მისი ელექტრული გამტარობა შეიძლება შეიცვალოს ფართო დიაპაზონში, როგორც სინთეზის დროს (პოლიმერული ჯაჭვების სიგრძის კონტროლით) და ველის ზემოქმედების ქვეშ (თერმული, ელექტრომაგნიტური, მაიონებელი გამოსხივება), რაც იწვევს შესაბამის ცვლილებას პირველში. პოლიმერის სტრუქტურა (სტრუქტურული გადაწყობა), ან მისი პოლიმერიზაციის ხარისხის შეცვლა. გამტარ პოლიმერები ფართოდ გამოიყენება ელექტროდების წარმოებისთვის ქიმიური დენის წყაროებისთვის (პოლიანილინები), ტემპერატურის ავტომატური კონტროლერები და ძაბვის სტაბილიზატორები (პოლიაკრილონიტრილები), როგორც კონდენსატორი ელექტროლიტები (პოლიპიროლის მარილები) და ა.შ. პოლინიტრილებში, პოლიფთალოციანინებში, პოლიფენილებსა და პოლიფენილევინილენებში ფოტოგამტარობის ეფექტის აღმოჩენამ და შესწავლამ გამოიწვია მათზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორების ჩამოყალიბება და პოლიმერების სპექტრული მახასიათებლების მაღალმა „მგრძნობელობამ“ საწყისი სტრუქტურისა და პოლიმერული კომპონენტის მიმართ შესაძლებელი გახადა. ფართო სპექტრული დიაპაზონის მქონე მოწყობილობების შესაქმნელად. მართალია, სამართლიანობისთვის უნდა ვაღიაროთ, რომ მათი ლუმინესცენციის კვანტური გამოსავალი არ აღემატებოდა რამდენიმე პროცენტს. 1980-იან წლებში, პოლიმერული ჯაჭვების მაღალი ორიენტაციის მქონე პოლიმერების შესწავლის შედეგად ნაყარ ნიმუშში (რაც შესაძლებელს ხდის მაკრომოლეკულების კვაზიერთგანზომილებიანი სტრუქტურის მახასიათებლების გამოყენებას), პოლიმერული კვაზიკრისტალური. მიღებულ იქნა მასალები ელექტრული მახასიათებლების მაღალი ანიზოტროპიით. მუხტის მატარებლების მობილურობა მათში აღწევდა 5000–6000 სმ2/ვ.ს.
პოლიმერული სისტემების სტრუქტურების მრავალფეროვნება და მათი მოდიფიკაციის შესაძლებლობა მკვლევარებს მატერიალური მახასიათებლების ყველაზე ფართო არჩევანს აძლევდა. ამან, რა თქმა უნდა, აიძულა მათ შეეცადონ პოლიმერულ მასალებზე დაფუძნებული აქტიური ელექტრონული მოწყობილობების დანერგვა. სამუშაო ჩატარდა ნახევარგამტარული მოწყობილობების თეორიის, მათი ფორმირების ფიზიკურ-ტექნოლოგიური პრინციპების საფუძველზე, რომელიც იმ დროისთვის საკმაოდ კარგად იყო განვითარებული. ამავდროულად, პოლიმერულ (მოლეკულურ) სისტემებში, მატარებლების ენერგეტიკული მდგომარეობები მოლეკულური ორბიტალების უმაღლეს და დაბალ დაუკავებელ დონეზე მოქმედებდნენ, როგორც ფერმის დონის ანალოგი და დოპინგის პროცესის ანალოგი, რამაც გამოიწვია ცვლილება. ფერმის დონის პოზიცია იყო ქიმიური ჩანაცვლების ოპერაცია, რამაც გამოიწვია იონიზაციის პოტენციალისა და ელექტრონის აფინურობის ცვლილება. პოლიმერის პირველადი სტრუქტურის შეცვლით, შეიძლება დადგინდეს მოლეკულური ორბიტალების დონეები და, შესაბამისად, მისი ზოლის უფსკრულის სიგანე. ანალოგების განხილვის შემდეგ, ჩვენ აღვნიშნავთ, რომ ხაზოვანი პოლიმერების სისტემები კონიუგირებული ბმებით შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ურთიერთდაკავშირება.
მოკლე ისტორიული დიგრესიის შემდეგ განვიხილოთ პოლიმერების „პოპულარიზაცია“ თანამედროვე ელექტრონული მოწყობილობების სამყაროში.

ორგანული LED-ები მაღალი სიკაშკაშით
სინათლის გამოსხივების დიოდები (LED) იყო პირველი ელექტრონული მოწყობილობა, რომელიც დაფუძნებულია პოლიმერებზე. ახლა უკვე შეიძლება ჩაითვალოს, რომ განვითარებამ პრაქტიკულად მიაღწია იმ დონეს, რაც შესაძლებელს ხდის გადავიდეს ორგანული LED-ების სამრეწველო წარმოებაზე და დღევანდელი ამოცანაა შექმნას მოწყობილობები მაღალი სიკაშკაშით. ამ სფეროში მრავალრიცხოვანმა კვლევებმა სხვადასხვა გზით გამოიწვია ოპტიმალური დიზაინი და ტექნოლოგიური ვარიანტი, რომელსაც ეწოდა "გამჭვირვალე ორგანული სინათლის გამოსხივების დიოდი" (Transparent Organic Light Emitting Diode - TOLED, სურ. 1). მისი მოქმედების პრინციპი უკიდურესად მარტივია და შედგება პოლიმერული მოლეკულების მიერ გამოსხივების წარმოქმნაში ელექტრული ველის მოქმედებით ელექტროლუმინესცენტურ შრეში მატარებლების რეკომბინაციის შედეგად. სტრუქტურულად, LED უნდა იყოს დაპროექტებული ისე, რომ გამჭვირვალე ელექტროდი, ხვრელის გადაცემის ფენა, ელექტროლუმინესცენტური ფენა და ტალღის გამტარი იყოს მაქსიმალურად გამჭვირვალე, ხოლო ელექტრონის გადაცემის ფენა და უარყოფითი ელექტროდი უზრუნველყოფენ მაქსიმალურ ჩარევას და გამოსხივების სპეკულარულ ასახვას. ზოგიერთ LED დიზაინში ასახული გამოსხივების წვლილის გასაძლიერებლად, უარყოფით ელექტროდს ენიჭება შესაბამისი ფორმა (მაგალითად, ჩაზნექილი პარაბოლური სარკე) და შემოტანილია ოპტიკური ელემენტები, რომლებიც დაფუძნებულია პლასტმასის ფენაში ჩამოყალიბებულ Fresnel ლინზებზე.
ამჟამად აქტიურად მიმდინარეობს LED-ების ახალი ორგანული მასალების შესწავლა. ამრიგად, გამტარი პოლიმერი გამოსხივების მაქსიმალური ინტენსივობით პარა- და მეტამოდიფიკაციების თანაფარდობით 2:1 მიიღეს კომპანია Fujitsu-ში, პარა- და მეტაბუტადიენის კოპოლიმერის საფუძველზე. გამტარ თიოფენზე დაფუძნებული პოლიმერი გამოიყენება ხვრელების საინექციო ფენად, რამაც შესაძლებელი გახადა LED-ის სამუშაო ძაბვის შემცირება მაღალი დენის დროს. Mg-In შენადნობისგან დამზადებული დადებითი ელექტროდი უაღრესად სტაბილურია და უზრუნველყოფს ელექტრონის ინექციის მაღალ დონეს. უარყოფითი ინდიუმის კალის ოქსიდის ელექტროდი დეპონირებულია მინის სუბსტრატზე.
სამომავლოდ კომპანია გეგმავს გამოიყენოს ეს ორგანული LED პოლისილიკონის თხელი ფირის ტრანზისტორებით, რათა შექმნას დისპლეები, რომლებსაც შეუძლიათ "ცოცხალი" გამოსახულების რეპროდუცირება. ამ დისპლეებს ექნება მაღალი სიკაშკაშე და ფართო ხედვის კუთხეები და ეღირება მნიშვნელოვნად ნაკლები, ვიდრე მიმდინარე AM LCD-ები.

დისპლეი სისტემები
ბოლო დრომდე, ორგანულ ნაერთებზე დაფუძნებული LED-ები გამოიყენებოდა მხოლოდ მობილურ ტელეფონებსა და საათებში, რადგან მატრიცების ფორმირებისას LED- ების თვისებების შენარჩუნების მნიშვნელოვანი ტექნოლოგიური პრობლემები იყო. „დაბალი ტემპერატურის“ ტექნოლოგიების განვითარებამ ეს დაბრკოლება მოხსნა. ორგანულ მასალებზე დაფუძნებული ბრტყელი ინდიკატორებისა და დისპლეების შექმნაზე სამუშაოს ინტენსივობა და გადასაწყვეტი ამოცანების დიაპაზონი დასტურდება ვერტიკალური სტრუქტურის მქონე ფერადი LED-ების მოპოვების სფეროში (პრინსტონის უნივერსიტეტი) და ფერადი ორგანული EL დისპლეით. კედელზე დამონტაჟებული ტელევიზორებისა და მობილური მულტიმედიური სისტემებისთვის (კომპანია Idemitsu Kosan), ასევე კემბრიჯის დისპლეის ტექნოლოგიის (Uniax) ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული პოლიმერული LED-ების პილოტური წარმოების ათვისება და პლასტმასის სუბსტრატებზე LCD-ების წარმოება (Ricon). თანამედროვე ორგანული LED-ების და მათზე დაფუძნებული ინფორმაციის ჩვენების მოწყობილობების მანათობელი ეფექტურობაა 10–60 ლმ/ვტ, სინათლის გამოსხივების სიკაშკაშე აღწევს 50000 cd/m2, ხოლო მომსახურების ვადა 10 ათასი საათია (150 cd/m2 სიკაშკაშით. ).
90-იანი წლების მთავარი მიღწევა იყო ორგანული ლურჯი LED-ების შემუშავება, რამაც შესაძლებელი გახადა გადასვლა RGB ტრიადებზე დაფუძნებული სრული ფერადი ეკრანების შექმნაზე. ერთ-ერთი მთავარი ტექნოლოგიური პრობლემა ამ შემთხვევაში არის ტექნოლოგიური დამუშავების დამაზიანებელი ეფექტი LED- ების ნაკრების ფორმირებისას (კომპლექტის პირველ ელემენტებზე ქიმიურად მოქმედებს მეორე ელემენტის ფორმირებისას, ხოლო პირველ ორ ელემენტზე გავლენას ახდენს ნაკრების მესამე ელემენტის წარმოების პროცესი). თუნდაც უმნიშვნელო ქიმიური დაბინძურების არსებობამ (განსაკუთრებით ტუტე ლითონებით) შეიძლება გამოიწვიოს ელექტროლუმინესცენტური მასალის თვისებების მნიშვნელოვანი დეგრადაცია და გამოიწვიოს მნიშვნელოვანი ცვლილებები ლუმინესცენციის ინტენსივობაში და სპექტრულ მახასიათებლებში და შეამციროს მოწყობილობის სიცოცხლე. ტრიადული ელემენტების თანმიმდევრული წარმოებისას ფენების დასაცავად დაფარვის ტექნოლოგია აუცილებლად იწვევს ეკრანის გარჩევადობის შეზღუდვას.
ეს პრობლემა წარმატებით მოგვარდა უნიღბოს ტექნოლოგიაზე გადასვლით სამგანზომილებიანი და არა პლანტური სტრუქტურის წარმოებისთვის. ამ ტექნოლოგიის მიხედვით, ტრიადული ელემენტები მზადდება სამ ან ოთხმხრივ პირამიდების სახით, რომლებიც წარმოიქმნება პლასტმასის სუბსტრატზე დაჭერით. მატრიცის ყველა პირამიდის გარკვეულ სახეზე ორგანული მასალა დეპონირდება მიმართული ორთქლის დეპონირების გზით, რაც უზრუნველყოფს ერთი ფერის გამოსხივებას. შემდეგ სუბსტრატს ატრიალებენ შესაბამისი კუთხით (120° ან 90°) და ილექება შემდეგი მბზინავი ფერის მასალა. მეოთხე სახეზე იქმნება შემცირებული სიკაშკაშის ერთ-ერთი ფერის ფენა, რაც საშუალებას გაძლევთ გააფართოვოთ ეკრანის მიერ რეპროდუცირებული ფერთა დიაპაზონი, ასევე დაამყაროთ თეთრი ბალანსი ოპერაციის დროს. ეს დიზაინი უზრუნველყოფს გარჩევადობის გაზრდას თითქმის სამჯერ. პოლიმერული ფენა პირამიდებითა და საკონტაქტო ხვრელებით დეპონირებულია აქტიური მატრიცის თავზე, რომელიც მიმართავს თხელი ფენის ველის ეფექტის ტრანზისტორი (TFT) წრეს, რომელიც შექმნილია მინის სუბსტრატზე არსებულ მუწუკებთან ერთად. ტექნოლოგიური მარშრუტის ყველა კომპონენტი უკვე შემუშავებულია და დეველოპერები იმედოვნებენ, რომ საკმაოდ იაფ დისპლეებს წარმოქმნიან მაღალი წარმადობით.
უდავო ინტერესია ულტრათხელი ორგანული დისპლეების განვითარება. მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიურმა ინსტიტუტმა შეიმუშავა ტექნოლოგია პლასტმასის ფენაზე მხოლოდ 100 მიკრონი სისქის დისპლეის წარმოებისთვის, რომელიც შეიძლება გადატრიალდეს რულონად 5 მმ რადიუსის თვისებების შეცვლის გარეშე. გამოსახულება იქმნება ელექტროფორეზული პასტის ფენაში, რომელიც გამოიყენება ელექტროდის ბადეზე მოქნილ პოლიმერულ სუბსტრატზე. პასტა შედგება თეთრი (ტიტანის დიოქსიდი - ჩვეულებრივი თეთრის სტანდარტული კომპონენტი) და შავი (ორგანული საღებავების ნარევი) მიკრონაწილაკებისგან, რომლებიც შეჩერებულია გამდნარ პოლიეთილენში. კაფსულების გარსი გადის სპეციალურ დამუშავებას მისი გამჭვირვალობის უზრუნველსაყოფად. კაფსულის საშუალო ზომა დაახლოებით 50 მიკრონია. გამჭვირვალე ელექტროდების ბადე გამოიყენება პასტის ფენაზე. როდესაც გამოიყენება ერთი პოლარობის ძაბვა, უარყოფითად დამუხტული თეთრი ნაწილაკები გადადიან კაფსულების ზედა ნაწილში და ბლოკავს შავ ნაწილაკებს. შედეგად, კაფსულა ხდება თეთრი. როდესაც პოლარობა იცვლება, თეთრი ნაწილაკები გადადიან კაფსულის ბოლოში და მისი ფერი ხდება შავი. ასეთი დისპლეის გარჩევადობა განსაზღვრავს ელექტროდების ქსელის მანძილს და უკვე პირველი ნიმუშებისთვის ის შედარებული იყო ლაზერული პრინტერების სტანდარტულ მნიშვნელობებთან. 30 სმ ეკრანის დიაგონალის მქონე დისპლეის ენერგიის მოხმარება არის 12 მვტ, ინფორმაციის დაკვრის ხანგრძლივობა ძაბვის მოხსნისას შეზღუდული არ არის (ახალ მისამართირებამდე). გამოსახულების შეცვლა შესაძლებელია 107-ზე მეტჯერ შესრულების დაქვეითების გარეშე. ასეთი კონსტრუქციის საფუძველზე შესაძლებელია „ელექტრონული ქაღალდის“ შექმნა.
Xerox-მა გამოაცხადა "ელექტრონულ ქაღალდზე" დაფუძნებული ქსეროქსის მომზადება - ულტრა თხელი დისპლეი, რომელიც დამზადებულია Gyricon ტექნოლოგიით, რაც გულისხმობს ნავთობის ღრუების გამოყენებას პლასტმასის სფეროებით. როდესაც ძაბვა გამოიყენება, სფეროები ორიენტირებულია ზედაპირთან შედარებით შავი ან თეთრი გვერდით. ორი AA ბატარეა საკმარისია გამოსახულების რეპროდუცირებისთვის. ნებადართულია ინფორმაციის შესწორება და განახლება. დისპლეების ერთადერთი მინუსი არის ელექტრული ჩარევისგან, განსაკუთრებით სტატიკური ელექტროენერგიისგან დაცვის აუცილებლობა. „ელექტრონული ქაღალდი“, ისევე როგორც ჩვეულებრივი ქაღალდი, არის მსუბუქი, მოქნილი, ადვილად იკითხება ნებისმიერი კუთხით. გარდა ამისა, მას აქვს ისეთი ახალი თვისებები, როგორიცაა ინფორმაციის რამდენჯერმე განახლებისა და ელექტრონული მაჩვენებლის გამოყენების შესაძლებლობა. Xerox-ის სპეციალისტების თქმით, ასეთი ქაღალდის ფასი A4 ფურცელზე 25 ცენტს არ აღემატება.

ორგანული თხელი ფირის ტრანზისტორები
დისპლეების წარმოებაში TFT-ების ერთობლივი ფორმირება ტრადიციული ტექნოლოგიით და ორგანული LED-ებით რთულია მაღალი ტემპერატურის პროცესების გამო, რაც იწვევს ორგანული მასალების თვისებების დეგრადაციას. ორგანულ მასალებზე დაფუძნებული TFT-ების დამზადება შესაძლებელია დაბალ ტემპერატურაზე და ამავდროულად, ძვირადღირებული მინის ნაცვლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას იაფი პლასტიკური სუბსტრატები, რაც მნიშვნელოვნად შეამცირებს მთლიანი პროდუქტის ღირებულებას. ორგანული TFT ტექნოლოგიის განვითარება ხსნის დიდ შესაძლებლობებს ულტრა მსუბუქი და ულტრა ბრტყელი დისპლეების შესაქმნელად მაღალი მოქნილობისა და სიმტკიცით. ორგანულ მასალებზე დაფუძნებული TFT-ების მოპოვების ტექნოლოგიური საკითხების გადაჭრა შესაძლებელს გახდის დისპლეის ყველა ელემენტის დამზადებას მსგავსი ტექნოლოგიური პროცესების გამოყენებით, რაც შეამცირებს წარმოების ხარჯებს და შეამცირებს გამოყენებული აღჭურვილობის ჰეტეროგენურობას. მათი მახასიათებლების მიხედვით, თანამედროვე ორგანული TFT არ ჩამოუვარდება სტანდარტულს ამორფული სილიკონის ფილმებზე. ორგანული TPT-ის ტიპიური სტრუქტურა ნაჩვენებია ნახ.2-ში.
პროტოტიპს TFT პენტაცენზე, რომლის კარიბჭის სიგრძე და სიგანე 5 და 500 μm, შესაბამისად, და კარიბჭის დიელექტრიკის სისქეა 140 ნმ, ჰქონდა ზღვრული ძაბვა 10 V და გაჯერების დრიფტის მობილურობა 1.7 სმ2/V.s (ორგანული რეკორდული შედეგი. ტრანზისტორები). ცალკეულ TFT-ებს შორის გაჟონვის დენის შესამცირებლად გამოიყენება Corbino-ს სპეციფიკური ტოპოლოგია, რომლის დროსაც წყარო ელექტროდი ქმნის დახურულ რგოლს TFT აქტიური რეგიონის გარშემო, რომლის ცენტრში მდებარეობს გადინების ელექტროდი. ამ დიზაინით, კარიბჭე აკონტროლებს მთელ დენს, რომელიც მიედინება დრენაჟიდან წყარომდე, რაც უზრუნველყოფს ~108 ჩართვა-გამორთვის დენის თანაფარდობას, ასევე დაბალ გაჟონვის დენებს (გამორთული დენი ახლოს არის ხმაურის დონესთან. ).
ამრიგად, შეიძლება ითქვას, რომ საინფორმაციო ჩვენების მოწყობილობების მთლიანად ორგანული მასალისგან ფორმირების ტექნოლოგიური პრობლემა დღეს უკვე მოგვარებულია.

ოპტოელექტრონიკა და ლაზერული ტექნოლოგია
ორგანული LED-ების და ინფორმაციის ჩვენების სისტემების შექმნაში მიღწეული მიღწევები ასევე ასტიმულირებს ელექტრული აგზნების მოწყობილობების განვითარებას ორგანულ პოლიმერებზე დაფუძნებული, ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული მასალა ახალი ტიპის ოპტოელექტრონული ინტეგრირებული სქემების წარმოებისთვის. ასეთი IC-ების მთავარი უპირატესობაა მათი დაბალი ღირებულება და საკმაოდ მარტივი ტექნოლოგია, რომელიც შესაფერისია მასობრივი წარმოებისთვის. ამ სფეროში კვლევებს მრავალი ფირმა ახორციელებს აშშ-ში, გერმანიაში, ავსტრიასა და იტალიაში. დღეს კი, სამრეწველო პოლიმერული სინათლის გიდები უკვე გამოიყენება სტანდარტულ ჰიბრიდულ ოპტოელექტრონულ სქემებში.
შესწავლილია ათზე მეტი პოლიმერი ნახევარგამტარული თვისებებით, რომლებიც შესაფერისია ლაზერული წარმოებისთვის მთელ ხილულ დიაპაზონში. დეველოპერებისთვის განსაკუთრებით საინტერესოა კონიუგირებული პოლიმერები გვერდითი ჯაჭვებით, ვინაიდან სწორედ გვერდითი ჯაჭვები განსაზღვრავს ენერგიის ზოლის სიგანეს, ე.ი. რადიაციის ტალღის სიგრძე. წარმოქმნილი გამოსხივების მაღალი ჩაქრობის გამო (მხოლოდ 0,1 მკმ სისქის ფილა შთანთქავს გამოსხივების 90%-ს), ფოტოლუმინესცენციის კვანტური ეფექტურობის სუსტი დამოკიდებულების გამო რეზონატორში აქტიური პოლიმერის რაოდენობაზე და დიდი ენერგიის ცვლას შორის. შთანთქმის და ემისიის სპექტრები (რაც აადვილებს პოპულაციის ინვერსიის მიღწევას), კონიუგირებული პოლიმერები მცირე სისქეზეც კი, ისინი შესაფერისია აქტიური ლაზერული საშუალების ფორმირებისთვის. კონიუგირებული პოლიმერების მაღალი ხსნადობა გვერდითი ჯაჭვებით ჩვეულებრივ ორგანულ გამხსნელებში მნიშვნელოვნად ამარტივებს საჭირო ფენოვანი ფირის ტოპოლოგიური სტრუქტურების დეპონირების და ფორმირების ტექნოლოგიას, მიკროელექტრონიკაში კარგად განვითარებული ფოტოლითოგრაფიის ტრადიციული მეთოდების ჩათვლით.
ერთ-ერთი ყველაზე სერიოზული პრობლემა პოლიმერულ ფილებზე ელექტრული აგზნების მქონე მოწყობილობების დამზადებისას არის გამომუშავების ზღვრული დენის მაღალი სიმკვრივე (~ 1 kAChcm2). ის მოგვარებულია განაწილებული უკუკავშირის და განაწილებული ბრაგის რეფლექტორის (DRB) შემოღებით, რეზონატორის ხარისხის ფაქტორის გაზრდის მიზნით. ROB ასრულებს რეზონატორის სარკის ფუნქციას. იგი წარმოიქმნება სხვადასხვა სისქის პოლიმერული ფენების მონაცვლეობით, რეფრაქციული ინდექსის დაბალი და მაღალი მნიშვნელობებით. ვინაიდან რეზონატორის სიგრძე იცვლება გამოსხივების ტალღის სიგრძის მიხედვით, მსგავსი სტრუქტურის მქონე ROB-ს შეუძლია მულტიმოდური გენერაციის მხარდაჭერა.
ლაზერულ ტექნოლოგიაში პოლიმერების წარმატებული გამოყენების მაგალითია პირველი ელექტრული აგზნებადი ორგანული მასალის ლაზერი Lucent Technologies-ისგან, რომელიც შესაფერისია სამრეწველო წარმოებისთვის. იგი მზადდება ტეტრაცენის კრისტალებზე, რომელთა მოლეკულები შეიცავს ბენზოლის ოთხ რგოლს. ველის სტრუქტურა (არხი 25 მკმ სიგანისა და 200-400 მკმ სიგრძის) ჩამოყალიბდა ტეტრაცენის ფენებზე 1-10 მკმ სისქით, მიღებული ორთქლის დეპონირებით დიელექტრიკულ სუბსტრატზე ინერტული აირის ნაკადში. დიელექტრიკულად გამოიყენებოდა ალუმინის ოქსიდის ფენა 0,15 მკმ სისქით, ხოლო საკონტროლო ელექტროდები დამზადებულია ალუმინის დოპირებული თუთიის ოქსიდისგან. სტრუქტურა არის პლანშეტური მულტიმოდური ტალღის გამტარი მთლიანი შიდა დანაკარგით ~ 100 სმ-2. ლაზერული რეზონატორი წარმოიქმნა ტეტრაცენის კრისტალის დაშლით, ასპექტების წარმოქმნით ~8% არეკვლის კოეფიციენტით. რეზონატორში საინექციო დენის მაღალი სიმკვრივის დროს, დაფიქსირდა რადიაციის არხირება ტალღის სიგრძეზე 575,7 ნმ, მულტიმოდური რეჟიმში მუშაობის დროს. ოთახის ტემპერატურაზე ლაზერი მუშაობდა პულსირებულ რეჟიმში, ხოლო 200 K-ზე უწყვეტი ტალღის რეჟიმში. ასახვის დანაკარგების შემცირებით განაწილებული უკუკავშირის და ROB-ის დანერგვის გამო, შესაძლებელია მუშაობა უწყვეტ რეჟიმში და ოთახის ტემპერატურაზე. ლაზერის უპირატესობა არის სიხშირის დარეგულირების შესაძლებლობა, რადგან ტეტრაცენის ემისიის სპექტრი საკმაოდ ფართოა.
ორგანულ მასალებზე დაფუძნებული ლაზერები გაცილებით იაფია, ვიდრე ნახევარგამტარები და მასალების ფართო არჩევანი შესაძლებელს ხდის დაფაროს მნიშვნელოვანი სპექტრული დიაპაზონი. უსაფრთხოდ შეიძლება ვიწინასწარმეტყველოთ, რომ ასეთი ლაზერები უახლოეს მომავალში ფართოდ გამოიყენებენ ოპტიკურ მეხსიერებას და ლაზერულ პრინტერებს.

პოლიმერული ტექნოლოგიის ინდუსტრიული განვითარება
მიუხედავად გამოყენებული პოლიმერული მასალების ჰეტეროგენურობისა, მოწყობილობებისა და სტრუქტურული ელემენტების შესაქმნელად ოპერაციების უმეტესობა სტრუქტურაში მსგავსია და შეიძლება დიდწილად ერთიანი იყოს. ეს ოპერაციები, უპირველეს ყოვლისა, მოიცავს პოლიმერული ფენების დეპონირების (დეპონირების) და ფორმირების პროცესებს. ზემოთ უკვე აღინიშნა, რომ თხელი ფირის და სქელი ფირის მასალების უმეტესობისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ორთქლის დეპონირების კარგად დამკვიდრებული პროცესები, ტრაფარეტული ბეჭდვა და ლითოგრაფია (ხსნადი კომპოზიციებისთვის).
ორგანულ ფილმებზე დაფუძნებული ელექტრონული მოწყობილობების მასიური წარმოების ტექნოლოგიის განვითარების რევოლუციური მიდგომა აჩვენა კალიფორნიულმა კომპანია Rolltronics-მა. მისი ტექნოლოგიის მიხედვით, სახელწოდებით roll-to-roll (კოჭიდან კოჭამდე), კონვეიერის წარმოების ციკლში გამოიყენება დიდი ხვეული მოქნილი პლასტმასით, რომელიც ასრულებს მომავალი მოწყობილობის სუბსტრატის როლს (ნახ. 3). პლასტმასის ლენტის სიგრძე 300 მ-ზე მეტია, ხოლო სიგანე შეიძლება აღემატებოდეს 1 მ. თანმიმდევრული გამოყენება და ფენების ფორმირება ხორციელდება სპეციალიზებულ გადამამუშავებელ კამერებში, რომლებიც უზრუნველყოფენ მთელი ტექნოლოგიური ციკლის განხორციელებას. დეველოპერები თვლიან, რომ მათ შეეძლებათ შექმნან სტრუქტურები არაუმეტეს 100-125°C ტემპერატურაზე, რაც საშუალებას მისცემს გამოიყენონ ყველაზე თანამედროვე პოლიმერული მასალები.
Iowa Thin Film Technologies-თან ერთად Rolltronics გეგმავდა 2001 წლის ბოლოსთვის roll-to-roll საწარმოო ხაზის ექსპლუატაციას. სამომავლო დიზაინის მთავარი ელემენტი, თხელი ფენიანი ტრანზისტორი, არჩეულ იქნა "კალმის ტესტად". TFT-ების გარდა, ფირმა აპირებს მეხსიერების სქემების, ელექტრო მოწყობილობების და დისპლეის ელემენტების, ასევე ელექტრონული წიგნების და ელექტრონული ქაღალდის ყველა კომპონენტის წარმოებას. Roll-to-roll ტექნოლოგია შესაფერისია ბრტყელი ეკრანების, LED განათების და საინფორმაციო პანელების, მზის უჯრედების, ოპტოელექტრონული მოწყობილობებისა და ნახევარგამტარული ლაზერების ფორმირებისთვის. კომპანიის წარმომადგენლები ამ ტექნოლოგიას მომავლის გარღვევას უწოდებენ, ხაზს უსვამენ მის უკიდურესად მაღალ ეფექტურობას და პროდუქტიულობას, რაც საშუალებას მისცემს გადავიდეს ახალი ტიპის ელექტრონული მოწყობილობების მასობრივ წარმოებაზე და მკვეთრად შეამციროს მათი ღირებულება.

განვითარების პერსპექტივები
გამოყენებული ფიზიკური პრინციპები და „პოლიმერული ელექტრონიკის“ ტექნოლოგია პირველი ბუნებრივი ნაბიჯია მოლეკულური ელექტრონიკისკენ. ეს აიხსნება იმით, რომ განსხვავებით კლასიკური მყარი მდგომარეობის ელექტრონიკისგან, სადაც გათვალისწინებულია კრისტალური სხეულის თვისებები და აქტიური სტრუქტურები იქმნება მის მოცულობაში, პოლიმერების გამოყენების შემთხვევაში აუცილებელია გავითვალისწინოთ მოლეკულების თვისებები. ნამდვილ მოლეკულურ ელექტრონიკაზე გადასვლისას, როდესაც ცალკეული მოლეკულები უკვე მოქმედებენ როგორც აქტიური ელემენტი, მთავარი ამოცანაა აირჩიოს მოლეკულაზე წერტილის (ადგილობრივი) ზემოქმედების ტექნოლოგიური მეთოდი და შეცვალოს მისი პირველადი ქიმიური სტრუქტურა. ბუნებრივია, თუ ტექნოლოგიურ ხელსაწყოს არ შეუძლია ადგილობრივი მოდიფიცირება საწყისი მოლეკულური სისტემის ატომურ დონეზე, უნდა შემუშავდეს მისი თვითმშენებლობისა და თვითრეგულირების მეთოდები, როგორც ეს ხდება ბუნებაში ვირუსების და ბაქტერიოფაგების სასიცოცხლო ციკლში. პირველ მიახლოებაში ეს მოიცავს ლანგმუირ-ბლოჯეტის მეთოდს მონოშრიანი ფილმების მისაღებად ან ოლიგომერების თვითაწყობის მონოშრეების მეთოდს ლითონის სუბსტრატზე (თვითაწყობილი მონოფენები - SAM). ეს მეთოდები შეიძლება პირობითად, მყარი მდგომარეობის მოწყობილობების ტექნოლოგიის ანალოგიით, მიეკუთვნებოდეს "ერთშრიანი" ეპიტაქსიას.
მოლეკულურ ელექტრონიკაზე გადასვლის ერთ-ერთი ვარიანტია „ჰიბრიდული“ ტექნოლოგია, როდესაც „მოლეკულური ელემენტები“ გამოიყენება კლასიკური ელექტრონიკის მეთოდების გამოყენებით. ასეთი კომბინირებული ტექნოლოგიის მაგალითია IBM-ის მიერ შემოთავაზებული ნახშირბადის ნანომილების კონსტრუქციული გამოყენება ტრანზისტორების შესაქმნელად, რომლებიც 500-ჯერ უფრო მცირეა, ვიდრე თანამედროვე სილიკონის მოწყობილობები. გარდა ამისა, ჟანგბადის არარსებობის შემთხვევაში, ისინი უძლებენ გათბობას 1000°C-მდე.
ატომური სტრუქტურების მოდიფიკაციისა და კონტროლის თანამედროვე საშუალებები - ატომური ძალის მიკროსკოპია (AFM) და სკანირების გვირაბის მიკროსკოპია (STM) - შეუძლია დააკმაყოფილოს ტექნოლოგიური მოთხოვნები ატომურ დონეზე. მაგრამ, სამწუხაროდ, ორივე AFM და STM არის თანმიმდევრული მეთოდები არც თუ ისე მაღალი ეფექტურობით და უახლოეს მომავალში ისინი გამოიყენებენ მხოლოდ როგორც ლაბორატორიულ ინსტრუმენტს. მიუხედავად ამისა, AFM და STM-ის დახმარებით პირველად წარმატებით შეიქმნა მოლეკულური ელექტრონიკის მოწყობილობები. ეს მეთოდები ასევე შესაძლებელს ხდის მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობების აწყობის ურთულესი პრობლემის - კონტაქტების ფორმირების გადაჭრას. სტრუქტურის ფორმირებისა და გაზომვების AFM და STM მეთოდების თეორიული მოდელები ჯერ კიდევ მუშავდება და აქ კიდევ ბევრი აღმოჩენაა მოსალოდნელი. თუმცა, სამრეწველო განვითარებისთვის შესაფერისი მოლეკულური ელექტრონიკის მეთოდების დანერგვა მომავლის საკითხია.

დასკვნა
ყოველივე ზემოთქმული აჩვენებს, რომ ელექტრონიკა "პოლიმერული" რევოლუციის ზღვარზეა. უახლოეს სამიდან ხუთ წელიწადში შესაძლებელი იქნება ელექტრონიკის „დაბეჭდვა“ ფონის სახით. ასეთი პლასტიკური "ფონები" გამოყენებული იქნება სრული ფერადი ეკრანებისა და დისპლეების შესაქმნელად, მზის ბატარეებისა და თეთრი LED განათების პანელების, ელექტრონული ქაღალდის და მრავალი სხვა. პოლიმერულ მასალებზე დაფუძნებული ახალი ელექტრონული პროდუქტები, რომლებიც გამოჩნდება მომდევნო ათწლეულში, მოაქცევს რევოლუციას ელექტრონული აღჭურვილობის მუშაობის პირობებში, გააფართოვებს საინფორმაციო ტექნოლოგიების შესაძლებლობებს და შექმნის წინაპირობებს ორგანიზაციის, განათლების, ცხოვრებისა და გართობის ახალ პრინციპებზე გადასასვლელად. . რუსული ელექტრონიკის ამოცანაა არ "გამოტოვოს" ეს გარღვევა და ღირსეულად ჩაერთოს პოლიმერული ელექტრონიკის განვითარებაში.

ლიტერატურა
Laser Focus World, 2001, ტ.37, No3, გვ. 41–44.
Semiconductor International, 2000, ტ.23, No8, გვ.46.
Semiconductor International, 2001, ტ.24, No6, გვ.50.
Semiconductor International, 2001, ტ.24, No8, გვ.40.
მყარი მდგომარეობის ტექნოლოგია, 2000 წ., ტ.43, No3, გვ. 63–77 წწ.
Photonics Spectra 2000, ტ.34, No5, გვ.44.
ამერიკული ქიმიური საზოგადოების ჟურნალი, 2000 წ., ვ.122, №2, გვ. 339–347 წწ.
უცხოური ელექტრონული ტექნოლოგია, 2000, ნომერი 1, გვ. 66–72.

სტატია კონკურსისთვის "ბიო/მოლი/ტექსტი": მეცნიერები დიდი ხანია ოცნებობდნენ ცხოველებისა და მცენარეების ელექტრული სიგნალებით კონტროლირებად კიბორგებად გადაქცევაზე და ამის გაკეთებას სხვადასხვა გზით ცდილობენ. ასე რომ, დაახლოებით 10 წლის წინ გამოჩნდა ახალი სამეცნიერო სფერო - ორგანული ბიოელექტრონიკა - რომელშიც ელექტროგამტარი პოლიმერები მოქმედებენ როგორც შუამავლები ცოცხალ არსებებსა და კომპიუტერებს შორის. ვარდის ფოთლის ფერის დისტანციური მართვა, ხელოვნური ნეირონი და ტკივილის წერტილის მკურნალობა - ამ სამმაგი ალიანსის პირველი შედეგები უკვე შთამბეჭდავია.

ნომინაციის სპონსორი - .

კონკურსის გენერალური სპონსორი, ჩვენი crowdfunding-ის მიხედვით, იყო მეწარმე კონსტანტინე სინიუშინი, რის მიმართაც მას აქვს უდიდესი ადამიანური პატივისცემა!

აუდიტორიის არჩევანის დაჯილდოება ატლასმა დააფინანსა.

ამ სტატიის გამოქვეყნების სპონსორი არის ანდრეი ალექსანდროვიჩ კისელევი.

ყველა ცოცხალი ორგანიზმი ცოტათი რობოტი ან კომპიუტერია. მხოლოდ ჩვეულებრივი ელექტროენერგიის ნაცვლად - ელექტრონები, რომლებიც გადიან მავთულხლართებით გასასვლელში და უკან - ჩვენ ვაკონტროლებთ ნერვული იმპულსებით, დამუხტული მოლეკულების ნაკადებით, რომლებსაც იონები ეწოდება. და ცოცხალი ელექტრული სქემების "ღილაკებს" აჭერენ არა თითებით, არამედ სპეციალური ნივთიერებებით - ნეიროტრანსმიტერებით. როდესაც მათი კონცენტრაცია გარკვეულ ზღვარს აჭარბებს, ნეირონების უჯრედულ მემბრანებში იწყება ბიოქიმიური რეაქციების ჯაჭვი, რომელიც მთავრდება ნერვული იმპულსის აგზნებით.

ახლა მეცნიერები ცდილობენ ჩვენს შიგნით არსებული კომპიუტერები „დააქორწინონ“ ნაცნობი სილიკონის მიკროსქემებით: ტვინი-კომპიუტერის ინტერფეისებმა უკვე იციან როგორ ამოიცნონ ნერვული უჯრედების აქტივობა და გადააკეთონ ისინი ელექტრონიკის მნიშვნელოვან ბრძანებებად. ასე რომ, აზროვნების ძალის გამოყენებით, შეგიძლიათ ითამაშოთ მარტივი თამაშები, ამოძრავოთ რობოტული პროთეზირების მკლავი, ან თუნდაც მართოთ კვადროკოპტერი. თუმცა, ყველა ეს მოწყობილობა მაინც განიცდის შეცდომებს და უზუსტობებს - ელექტრონული და იონური დენების გადაკვეთა ერთ მოწყობილობაში ადვილი არ არის.

„მთარგმნელები“ ​​ცოცხალი ენიდან მიკროსქემების ენაზე შეიძლება იყვნენ ელექტროგამტარი პოლიმერები, რომლებიც ატარებენ ორივე ტიპის დენს ერთდროულად (ნახ. 1). გასული საუკუნის 70-იან წლებში აღმოჩენილი ეს მასალები ბევრმა მეცნიერმა აქტიურად შეისწავლა: მათ იყენებდნენ ტრანზისტორების, მზის უჯრედების, ორგანული სინათლის გამოსხივების დიოდების (OLED) და სხვა ორგანული ელექტრონული მოწყობილობების დასამზადებლად.

ნახაზი 1. ორგანული ( მარჯვნივ) და არაორგანული ( დატოვა) ნახევარგამტარები ელექტროლიტთან კონტაქტში.დამუხტული იონების ზომები გაცილებით დიდია ვიდრე ატომებს შორის მანძილი არაორგანულ ნახევარგამტარებში და, შესაბამისად, ამ მასალებში იონური გამტარობა შეუძლებელია. ამავდროულად, კონიუგირებული პოლიმერების მაკრომოლეკულების ჯაჭვებს შორის სიცარიელეების დამახასიათებელი ზომები შედარებულია ჰიდრატირებული იონების ზომებთან და, შესაბამისად, იონური გამტარობა შესაძლებელია ნაერთების ამ კლასში.

ახლა ელექტროგამტარი პოლიმერების უპირატესობები - მოქნილობა, სიმარტივე და სინთეზის ცვალებადობა, ასევე ბიოთავსებადობა და იონური გამტარობა - ცდილობენ გამოიყენონ ორგანული ბიოელექტრონიკა - მასალების მეცნიერების ძალიან ახალგაზრდა სფერო, რომელსაც უკვე აქვს რაღაც საამაყო.

დიაგნოსტიკა შიგნიდან

ტვინის-კომპიუტერის მრავალი ინტერფეისის მოქმედება ემყარება EEG ჩაწერას: ადამიანის თავზე ფიქსირდება ქუდი ელექტროდებით, რომელშიც ტვინში გამავალი იონური დენების გავლენის ქვეშ წარმოიქმნება საკუთარი ელექტრონული დენები. 2013 წლის ნაშრომში საფრანგეთის მეცნიერებმა შემოგვთავაზეს იმავე მიზნით ორგანული ელექტროქიმიური ტრანზისტორების გამოყენება.

ჩვეულებრივი ნახევარგამტარული ტრანზისტორები არის ყველა ელექტრული ლოგიკური სქემის ძირითადი კომპონენტები, ერთგვარი ელექტრონული ღილაკები სამი კონტაქტით. შედარებით დიდი დენი, რომელიც მიედინება მათში ერთი პინიდან მეორეზე, შეიძლება კონტროლდებოდეს მცირე სიგნალით (უფრო ნაკლები დენი ან ძაბვა FET-ის შემთხვევაში), რომელიც გამოიყენება მესამე პინზე. მრავალი ტრანზისტორის ერთ წრეში შეკრებით შესაძლებელია ნებისმიერი ელექტრული სიგნალის გაძლიერება, შესუსტება და გარდაქმნა ან სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ ინფორმაციის დამუშავება.

ანალოგიურად მუშაობს ორგანული ტრანზისტორები, რომლებითაც მკვლევარებმა დააფიქსირეს ეპილეფსიური აქტივობა ცოცხალ ლაბორატორიულ თაგვებში. ამ ტრანზისტორის მესამე საკონტროლო პინი დამზადებულია გამტარ პოლიმერისგან და შეჰყავდათ პირდაპირ მღრღნელების ტვინში. პოლიმერმა შეცვალა მისი სტრუქტურა (და, შედეგად, მისი გამტარობა) ნერვული უჯრედების ელექტრული აქტივობის რყევებთან ერთად, და შედეგად, „კიბორგის“ ტვინში იონური დენების მცირე დამახასიათებელმა ცვლილებებმაც კი გამოიწვია შესამჩნევი ცვლილებები. დენი მიედინება ტრანზისტორის შეყვანის კონტაქტიდან გამოსავალზე (ნახ. 2). ).

სურათი 2. in vivoტვინის ელექტრული აქტივობის რეგისტრაცია ორგანული ტრანზისტორების გამოყენებით. ვარდისფერიფერი აჩვენებს ორგანული ელექტროქიმიური ტრანზისტორის დახმარებით აღებულ დამოკიდებულებას, ლურჯი- პლასტიკური ელექტროდი, შავი- ლითონის ელექტროდი. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ბოლო ორი ელექტროდი აღრიცხავს ელექტრულ სიგნალს პოტენციური ნახტომებით, ხოლო ტრანზისტორი - დენის ნახტომით ელექტროგამტარ არხში.

თავის ექსპერიმენტში ფრანგებმა აჩვენეს, რომ ორგანული ტრანზისტორები შესაძლებელს ხდის ტვინის ელექტრული აქტივობის ჩაწერას ბევრად უფრო ზუსტად, ვიდრე მათი თანამედროვე არაორგანული კოლეგები. სხვა სამეცნიერო ჯგუფების ექსპერიმენტებში ორგანული ტრანზისტორები წარმატებით გამოიყენება ეკგ-ს მისაღებად ან, მაგალითად, რძემჟავას, გლუკოზის და სხვა ბიომოლეკულების კონცენტრაციის დასადგენად.

პლასტიკური ნეირონები

დღეს ნევროლოგიურ და ფსიქიატრიულ დაავადებებს ძირითადად მედიკამენტებით მკურნალობენ, მაგრამ შეიძლება ძალიან რთული იყოს მათი დოზის არჩევა, წამლის ზუსტად მიწოდება გარკვეულ უჯრედებში და ამავდროულად მისი გვერდითი ეფექტების გათვალისწინება ორგანიზმის სხვადასხვა პროცესებზე. . შვედი მეცნიერების დიდმა ჯგუფმა რამდენიმე ინსტიტუტიდან შესთავაზა ამ პრობლემების გადაჭრა იგივე ელექტროგამტარი პოლიმერების გამოყენებით, უფრო სწორად, სხვა ორგანული ბიოელექტრონული მოწყობილობის გამოყენებით - ორგანული ელექტრონული იონის ტუმბო, რომელსაც შეუძლია იონების გადატუმბვა ერთი საშუალოდან მეორეზე.

თავის ნაშრომში მკვლევარებმა შეისწავლეს ლაბორატორიული ვირთხები, რომლებშიც მათ ჯერ იწვევდნენ ნეიროპათიული ტკივილი (მისი მიზეზი არ არის გარეგანი სტიმული, არამედ თავად ნეირონების მუშაობის დარღვევა), შემდეგ კი მკურნალობდნენ ნეიროტრანსმიტერის წერტილის ინექციის დახმარებით. GABA (გამა-ამინობუტერინის მჟავა), რაც ამცირებს ცენტრალური ნერვული სისტემის გაღიზიანებას. მინიატურული ორგანული ტუმბო (დაახლოებით 12 სმ სიგრძისა და 6 მმ დიამეტრის) შეიყვანეს ვირთხების ზურგის ტვინში და მისი რეზერვუარი შეივსო GABA-ით (ნახ. 3). გარე ელექტრული ძაბვის გამოყენებით, GABA მოლეკულებმა დაიწყეს გამოსვლა ოთხი იონგამტარი პოლიმერული არხებით უჯრედშორის სივრცეში (ვიდეო 1).

სურათი 3. იმპლანტირებული ორგანული ელექტროქიმიური ტუმბო. A - მოწყობილობის ფოტოსურათი, B - მოწყობილობის სქემატური გამოსახულება, მარცხნივ - ელექტრული კონტაქტი, ცენტრში - რეზერვუარი GABA-ით, მარჯვნივ - ექსკრეციული არხები. მოწყობილობის საერთო სიგრძეა 120 მმ, ავზის დიამეტრი 6 მმ. C - ოთხი ორგანული ელექტროქიმიური გასასვლელი განლაგებულია საჯდომის ნერვის ტოტები ზურგის ტვინში.

ვიდეო 1. ორგანოელექტრონული იონური ტუმბო

შედეგად, ვირთხებში ტკივილი გაქრა (ეს შემოწმდა ტაქტილური ტესტის გამოყენებით: ვირთხების თათებზე მიიტანეს სხვადასხვა სიმტკიცის ელასტიური ძაფები და მონიტორინგს ახორციელებდნენ, თუ რა ზეწოლის ქვეშ მოჰქონდა ცხოველი თათს), და არ იყო გვერდითი მოვლენები. დააკვირდა. ნეიროპათიური ტკივილის GABA-ს მკურნალობის ყველა სხვა მეთოდით, პრეპარატი შეჰყავთ ზურგის ტვინში მაღალი დოზით, რომელიც ნაწილდება ნერვულ სისტემაში და ტკივილის ჩახშობის გარდა, იწვევს სიარულის დარღვევას, ლეთარგიას და სხვა გვერდით მოვლენებს. .

ამ სამუშაოს პარალელურად, მკვლევართა იმავე ჯგუფმა შექმნა პირველი პოლიმერული ხელოვნური ნეირონი. მასში იონური ტუმბო გაერთიანდა მგრძნობიარე ბიოსენსორებთან გლუტამინის მჟავა(ყველაზე გავრცელებული ამგზნები ნეიროტრანსმიტერი) და აცეტილქოლინი(ნეიროტრანსმიტერი, რომელიც გადასცემს სიგნალს ნეირონებიდან კუნთოვან ქსოვილში). მაგალითად, ერთ-ერთ ექსპერიმენტში „პლასტიკური“ ნეირონი აკონტროლებდა გლუტამატის დონეს პეტრის ჭურჭელში და როდესაც გარკვეული ზღურბლის გადალახვა მოხდა, მასში დენი აღგზნებული იყო, რომელმაც გახსნა იონური ტუმბოს რეზერვუარი, რომელიც გამოყოფდა აცეტილქოლინს. გარემოში.

ხელოვნური ნეირონების მუშაობა ძალიან ჰგავს იმას, თუ როგორ ფუნქციონირებს რეალური: ნერვული იმპულსი აღგზნებულია ერთ-ერთ მათგანში და გადის მთელ უჯრედში სხვა ნეირონთან კონტაქტის ადგილზე, იქ გამოიყოფა გლუტამინის მჟავა, რომელიც, როგორც იქნა. , აჭერს ღილაკს და აღაგზნებს შემდეგ ნეირონს (სურ. 4) . ასე რომ, ნეირონების ჯაჭვის გასწვრივ, იმპულსი აღწევს კუნთოვან უჯრედს, რომელიც უკვე აღგზნებულია არა გლუტამინის მჟავით, არამედ აცეტილქოლინით. შვედების მიერ შექმნილმა პლასტიკურმა ნეირონმა შეიძლება გაიმეოროს ეს მოქმედებები და გადასცეს სიგნალები სხვა უჯრედებს. ექსპერიმენტში ეს იყო SH-SY5Y ნეირობლასტომის უჯრედები, რომელთა აქტივაცია მონიტორინგდა აცეტილქოლინის რეცეპტორების შეერთებისას იონების კონცენტრაციის დამახასიათებელი მატებით.

ნახაზი 4. ქიმიური სიგნალის ელექტრულ სიგნალად გარდაქმნის და ხელოვნურ პოლიმერულ ნეირონში უკან გადაქცევის სქემა იდენტურია ცოცხალი ნეირონის მუშაობის სქემისა. ბიოსენსორი ( წარმოდგენილია მწვანეში) პასუხობს ერთი ნეიროტრანსმიტერის კონცენტრაციის ზრდას ( ფორთოხლის წერტილები), რომელიც წარმოქმნის ელექტრონის ნაკადს, რომელიც აღაგზნებს ორგანულ ელექტროქიმიურ ტუმბოს ( წარმოდგენილია ლურჯად) სხვა ნეიროტრანსმიტერის გათავისუფლება ( ლურჯი წერტილები).

ელექტრონული ვარდებიდან ყველაზე მწვანე ენერგიამდე

თაგვებზე, ვირთხებსა და სხვა ლაბორატორიულ ცხოველებზე კვლევები უნდა იყოს კოორდინირებული ეთიკის კომისიებთან და, შესაბამისად, ყველაზე გაბედული ექსპერიმენტები ორგანულ ბიოელექტრონიკაში უფრო ადვილია მცენარეებზე. ასე რომ, 2015 წლის ბოლოს, იმავე შვედურმა ჯგუფმა გააკეთა პირველი კიბორგის ვარდი. მართალია, მან ჯერ კიდევ არ იცის როგორ გააკეთოს რაიმე შთამბეჭდავი - არც გახსნა პანელზე ღილაკზე დაჭერით, არც ფერს შეცვალოს გარემოს ტენიანობის მიხედვით და არც სამყაროს გადაღება, მაგრამ მკვლევარებმა მაინც მოახერხეს. რაიმე საინტერესო გააკეთო.

პირველ ექსპერიმენტში მოჭრილი ვარდი მოათავსეს წყალში გახსნილი ელექტროგამტარი პოლიმერით, რომელიც მაღლა ასწია და ვარდში გამტარ არხს ქმნიდა. შემდეგ, მეცნიერებმა არხის ბოლოებში მიიტანეს ელექტრული კონტაქტები და სახელურში ჩასვეს საკონტროლო ელექტროდი - ოქროს მავთული, რომელიც დაფარულია გამტარ პოლიმერით. ასე რომ, ერთგვარი ორგანული ტრანზისტორი უნდა ყოფილიყო ვარდში. ამავდროულად, რამდენიმე საკონტროლო ელექტროდი შეიძლება ერთდროულად დაუკავშირდეს ერთ არხს და შეიქმნას მარტივი ლოგიკური წრე, რომლის მეშვეობითაც დენი მიედინება მხოლოდ მაშინ, როდესაც გარკვეული კონტროლის ძაბვა გამოიყენება ორივე ოქროს მავთულზე.

მეორე ექსპერიმენტში, სხვა ელექტრულად გამტარ პოლიმერის წყალხსნარი, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს ფერი გარე ძაბვის გამოყენებისას, შპრიცის გამოყენებით ვარდის ფოთლებში ამოტუმბეს. ფოთოლთან მიიტანეს ელექტროდები, დენი ჩართო და - ვოილა: ფოთლის ძარღვებმა მოლურჯო-მომწვანო ელფერი შეიძინა. სწორედ მათში შეყვანილი პოლიმერი გადაიქცა უფეროდან ლურჯად (ვიდეო 2). ამავე დროს, როდესაც დაძაბულობა მოიხსნა, ფოთოლი კვლავ ჯანსაღი მწვანე გახდა.

ასე რომ, მეცნიერებმა აჩვენეს, რომ მცენარეების შიგნით მარტივი ტექნიკის დახმარებით თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ მარტივი ელექტრონული სქემები. მომავალში ეს შესაძლებელს გახდის მათი ფიზიოლოგიის გაკონტროლებას და, მაგალითად, უფრო მაღალ მოსავალს გენეტიკური მოდიფიკაციების გარეშე, ან თუნდაც პატარა ელექტროსადგურების შექმნას ფოტოსინთეზის ენერგიის გამოყენებით. რა თქმა უნდა, ეს ახლა ძალიან ძვირად ჟღერს, მაგრამ ერთ დღეს ორგანული ბიოელექტრონული ტექნოლოგიები შესაძლებელს გახდის თითოეული მცენარის პუნქტუალურ კონტროლს და არა მთელ მოსახლეობას ერთდროულად.

ბიოელექტრონული მომავალი

პირველმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ორგანულ ბიოელექტრონულ მოწყობილობებს საკმაოდ შეუძლიათ ბიოელექტრული სიგნალების მიღება, გადაცემა და დამუშავება. Რა არის შემდეგი? ახლა მათ ისწავლეს, როგორ გახადონ პოლიმერული მასალები ბიოთავსებადი და ბიოდეგრადირებადი და, შესაბამისად, ნებისმიერი ცოცხალი ორგანიზმი შეიძლება სიტყვასიტყვით შეივსოს მათზე დაფუძნებული ჩიპებით. რჩება მხოლოდ ვასწავლოთ ინფორმაციის უსადენოდ გადაცემა და ადამიანის სხეულში შესაძლებელი იქნება სენსორების ადგილობრივი ქსელის შექმნა, რომელიც მუდმივად აკონტროლებს სხვადასხვა სამედიცინო ინდიკატორებს, როგორიცაა გლუკოზის დონე, გულისცემა და შერჩეული ნეირონების ელექტრული აქტივობა. შემდეგ გადასცემენ თავიანთ სიგნალებს იმპლანტირებულ სამედიცინო რობოტებს, რომლებიც დაფუძნებულია იმავე იონურ სენსორებზე, ტუმბოებზე, რათა მათ დაიწყონ პრობლემის მოგვარება.

თუ საერთოდ არ მოგწონთ ასეთი კიბორგი გახდომის იდეა, შეგიძლიათ უბრალოდ გადაყლაპოთ აბი ჩაშენებული მოქნილი მიკროსქემით - მჟავიანობის, ტემპერატურისა და სხვადასხვა ნივთიერების კონცენტრაციის მიხედვით, ის ზუსტად გამოთვლის სად გამოუშვას წამალი და კარგი საქმის გაკეთების შემდეგ ის უბრალოდ შაქრის ნატეხივით შეიწოვება ჩვენში.

შესავალი

1965 წელს, კომპიუტერული ეპოქის გარიჟრაჟზე, გორდონ მურმა, Fairchild Semiconductors-ის კვლევის დირექტორმა, იწინასწარმეტყველა, რომ ტრანზისტორების რაოდენობა ჩიპზე ყოველწლიურად გაორმაგდება. გავიდა 35 წელი და მურის კანონი კვლავ ძალაშია. მართალია, დროთა განმავლობაში, მიკროელექტრონული წარმოების პრაქტიკამ მასში მცირე ცვლილება შეიტანა: დღეს ითვლება, რომ ტრანზისტორების რაოდენობის გაორმაგება ხდება ყოველ 18 თვეში ერთხელ. ზრდის ეს შენელება გამოწვეულია მიკროჩიპის არქიტექტურის სირთულით. და მაინც, სილიკონის ტექნოლოგიისთვის, მურის პროგნოზი სამუდამოდ ვერ გაგრძელდება.

მაგრამ არსებობს კიდევ ერთი, ფუნდამენტური შეზღუდვა „მურის კანონში“. ჩიპზე ელემენტების სიმკვრივის ზრდა მიიღწევა მათი ზომის შემცირებით. დღესაც პროცესორის ელემენტებს შორის მანძილი შეიძლება იყოს 0,13x10 -6 მეტრი (ე.წ. 0,13 მიკრონი ტექნოლოგია). როდესაც ტრანზისტორების ზომა და მათ შორის მანძილი რამდენიმე ათეულ ნანომეტრს მიაღწევს, ამოქმედდება ეგრეთ წოდებული ზომის ეფექტები - ფიზიკური ფენომენი, რომელიც მთლიანად არღვევს ტრადიციული სილიკონის მოწყობილობების მუშაობას. გარდა ამისა, საველე ეფექტის ტრანზისტორებში დიელექტრიკის სისქის შემცირებით, იზრდება მასში ელექტრონების გავლის ალბათობა, რაც ასევე ხელს უშლის მოწყობილობების ნორმალურ მუშაობას.

მუშაობის გაუმჯობესების კიდევ ერთი გზაა სილიციუმის ნაცვლად სხვა ნახევარგამტარების გამოყენება, როგორიცაა გალიუმის არსენიდი (GaAs). ამ მასალაში ელექტრონების უფრო მაღალი მობილურობის გამო, შესაძლებელია მოწყობილობების სიჩქარის გაზრდა სიდიდის ბრძანებით. თუმცა, გალიუმის არსენიდზე დაფუძნებული ტექნოლოგიები ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე სილიკონის. ამიტომ, მიუხედავად იმისა, რომ ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში მნიშვნელოვანი თანხები ჩაიდო GaAs-ის შესწავლაში, მასზე დაფუძნებული ინტეგრირებული სქემები ძირითადად გამოიყენება სამხედრო სფეროში. აქ მათი მაღალი ღირებულება კომპენსირდება ენერგიის დაბალი მოხმარებით, მაღალი სიჩქარით და რადიაციის წინააღმდეგობით. თუმცა, GaAs-ზე დაფუძნებული მოწყობილობების განვითარება რჩება შეზღუდვებს, როგორც ფუნდამენტური ფიზიკური პრინციპების, ასევე წარმოების ტექნოლოგიის გამო.

სწორედ ამიტომ დღეს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სხვადასხვა დარგის სპეციალისტები ეძებენ მიკროელექტრონიკის შემდგომი განვითარების ალტერნატიულ გზებს. პრობლემის გადაჭრის ერთ-ერთ გზას გვთავაზობს მოლეკულური ელექტრონიკა.

მოლეკულური ელექტრონიკა - მომავლის ტექნოლოგია.

მოლეკულური მასალებისა და ცალკეული მოლეკულების ელექტრონიკის აქტიურ ელემენტებად გამოყენების შესაძლებლობა დიდი ხანია მიიპყრო მეცნიერების სხვადასხვა დარგის მკვლევართა ყურადღება. თუმცა, მხოლოდ ცოტა ხნის წინ, როდესაც ნახევარგამტარული ტექნოლოგიის პოტენციური შესაძლებლობების საზღვრები პრაქტიკულად ხელშესახები გახდა, ელექტრონიკის ძირითადი ელემენტების აგების მოლეკულური იდეოლოგიისადმი ინტერესი გადავიდა აქტიური და მიზანმიმართული კვლევის მეინსტრიმში, რომელიც დღეს გახდა ერთ-ერთი. ელექტრონიკის ყველაზე მნიშვნელოვანი და პერსპექტიული სამეცნიერო და ტექნიკური სფეროები.

ელექტრონიკის განვითარების შემდგომი პერსპექტივები დაკავშირებულია მოწყობილობების შექმნასთან, რომლებიც იყენებენ კვანტურ ფენომენებს, რომლებშიც ანგარიში უკვე მიდის ელექტრონების ერთეულებზე. ბოლო დროს ფართოდ განხორციელდა ხელოვნურად შექმნილი დაბალგანზომილებიანი სტრუქტურების თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევები; კვანტური ფენები, მავთულები და წერტილები. მოსალოდნელია, რომ ამ სისტემებში დაფიქსირებულმა სპეციფიკურმა კვანტურმა ფენომენებმა შეიძლება შექმნას საფუძველი ფუნდამენტურად ახალი ტიპის ელექტრონული მოწყობილობების შესაქმნელად.

კვანტურ დონეზე გადასვლა უდავოდ ახალი, მნიშვნელოვანი ეტაპია ელექტრონიკის განვითარებაში, ვინაიდან საშუალებას გაძლევთ სამუშაოდ წახვიდეთ თითქმის ერთ ელექტრონებთან და შექმნათ მეხსიერების ელემენტები, რომლებშიც ერთი ელექტრონი შეიძლება შეესაბამებოდეს ერთ ბიტ ინფორმაციას. თუმცა ხელოვნური კვანტური სტრუქტურების შექმნა ძალიან რთული ტექნოლოგიური ამოცანაა. ბოლო დროს აშკარა გახდა, რომ ასეთი სტრუქტურების დანერგვა დაკავშირებულია დიდ ტექნოლოგიურ სირთულეებთან თუნდაც ცალკეული ელემენტების შექმნისას და გადაულახავი სირთულეები წარმოიქმნება მრავალმილიონიანი ელემენტებით ჩიპების შექმნისას. ამ სიტუაციიდან გამოსავალი, მრავალი მკვლევარის აზრით, არის გადასვლა ახალ ტექნოლოგიაზე - მოლეკულურ ელექტრონიკაზე.

ცალკეული მოლეკულების მიკროელექტრონიკის აქტიურ ელემენტებად გამოყენების ფუნდამენტური შესაძლებლობა გამოთქვა ფეინმანმა ჯერ კიდევ 1957 წელს. მოგვიანებით მან აჩვენა, რომ კვანტური მექანიკის კანონები არ წარმოადგენს დაბრკოლებას ატომური ზომის ელექტრონული მოწყობილობების შესაქმნელად, თუ ინფორმაციის ჩაწერის სიმკვრივე არ აღემატება 1 ბიტს/ატომს. თუმცა, მხოლოდ კარტერისა და ავირამის ნამუშევრების მოსვლასთან ერთად დაიწყო საუბარი მოლეკულურ ელექტრონიკაზე, როგორც ახალ ინტერდისციპლინურ სფეროზე, მათ შორის ფიზიკაზე, ქიმიაზე, მიკროელექტრონიკაზე და კომპიუტერულ მეცნიერებაზე და მიზნად ისახავდა მიკროელექტრონის გადატანას ახალ ელემენტურ ბაზაზე - მოლეკულურ ელექტრონულ მოწყობილობებზე.

ეს ნამდვილად გვთავაზობს ანალოგიას ზუსტი დროის მოწყობილობების განვითარების ისტორიასთან, რომლებიც გადავიდნენ მექანიკური ქრონომეტრებიდან სხვადასხვა ტიპის ქანქარების გამოყენებით, კვარცის საათების მეშვეობით, რომლებიც დაფუძნებულია მყარი მდგომარეობის რეზონანსებზე, და ბოლოს, დღეს ყველაზე ზუსტი საათები იყენებენ ამიაკის ინტრამოლეკულურ ეფექტებს. მოლეკულები და ა.შ. ანალოგიურად ვითარდება ელექტრონიკა, რომელიც გადავიდა მექანიკური ელექტრომაგნიტური რელეებიდან და ვაკუუმური მილებიდან მყარი მდგომარეობის ტრანზისტორებსა და მიკროსქემებამდე და დღეს ის მივიდა იმ ზღურბლამდე, რომლის მიღმაც დგას მოლეკულური ტექნოლოგიის სფერო.

შემთხვევითი არ არის, რომ ძირითადი ყურადღება მოლეკულურ სისტემებზე იყო ორიენტირებული. პირველი, მოლეკულა არის იდეალური კვანტური სტრუქტურა, რომელიც შედგება ცალკეული ატომებისგან, რომლის გასწვრივ ელექტრონების მოძრაობა განისაზღვრება კვანტური ქიმიური კანონებით და არის მინიატურიზაციის ბუნებრივი ზღვარი. მოლეკულური ტექნოლოგიის კიდევ ერთი, არანაკლებ მნიშვნელოვანი თვისებაა ის, რომ ასეთი კვანტური სტრუქტურების შექმნას დიდად უწყობს ხელს ის, რომ მათ შექმნას ეფუძნება თვითშეკრების პრინციპი. ატომებისა და მოლეკულების უნარი გარკვეულ პირობებში სპონტანურად გაერთიანდნენ წინასწარ განსაზღვრულ მოლეკულურ წარმონაქმნებში არის მიკროსკოპული კვანტური სტრუქტურების ორგანიზების საშუალება; მოლეკულებთან მუშაობა წინასწარ განსაზღვრავს მათი შექმნის გზას. ეს არის მოლეკულური სისტემის სინთეზი, რომელიც არის შესაბამისი მოწყობილობების თვითშეკრების პირველი აქტი. ეს მიიღწევა აწყობილი ანსამბლების იდენტურობას და, შესაბამისად, ელემენტების ზომების იდენტურობას და, შესაბამისად, კვანტური პროცესების მიმდინარეობის და მოლეკულური მოწყობილობების ფუნქციონირების საიმედოობასა და ეფექტურობას.

მიკროელექტრონიკაში მოლეკულური მიდგომის განვითარების თავიდანვე ღია რჩებოდა საკითხი მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობების ფუნქციონირების ფიზიკური პრინციპების შესახებ. ამიტომ, ძირითადი ძალისხმევა მიმართული იყო მათ ძიებაზე, ძირითადი ყურადღება დაეთმო ცალკეულ მოლეკულებს ან მოლეკულურ ანსამბლებს. ამ მიმართულებით სამუშაოების დიდი რაოდენობის მიუხედავად, მოლეკულური მოწყობილობების პრაქტიკული განხორციელება ჯერ კიდევ არ არის დასრულებული. ამის ერთ-ერთი მიზეზი ის არის, რომ, განსაკუთრებით მოლეკულური ელექტრონიკის ფორმირების საწყის პერიოდში, დიდი აქცენტი გაკეთდა ცალკეული მოლეკულების მუშაობაზე, ბისტაბილური მოლეკულების ძიებასა და შექმნაზე, რომლებიც ასახავს გამომწვევ თვისებებს. რა თქმა უნდა, ეს მიდგომა ძალიან მიმზიდველია მინიატურიზაციის თვალსაზრისით, მაგრამ მცირე შანსს ტოვებს, რომ მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობების შექმნა უახლოეს მომავალში შეიძლება.

მიკროელექტრონიკაში ახალი მიდგომის შემუშავება მოითხოვს მთელი რიგი პრობლემის გადაჭრას სამ ძირითად მიმართულებაში: ელექტრონული მოწყობილობების ფუნქციონირების ფიზიკური პრინციპების შემუშავება; ახალი მოლეკულების სინთეზი, რომლებსაც შეუძლიათ ინფორმაციის შენახვა, გადაცემა და ტრანსფორმირება; მოლეკულების სუპრამოლეკულურ ანსამბლად ან მოლეკულურ ელექტრონულ მოწყობილობად მოლეკულების ორგანიზების მეთოდების შემუშავება.

ამჟამად ინტენსიური ძიება მიმდინარეობს მოლეკულური ელექტრონიკის განვითარების კონცეფციებისა და ფუნქციონირების ფიზიკური პრინციპების შესახებ და მუშავდება ძირითადი ელემენტების აგების საფუძვლები. მოლეკულური ელექტრონიკა ხდება მეცნიერების ახალი ინტერდისციპლინარული სფერო, რომელიც აერთიანებს მყარი მდგომარეობის ფიზიკას, მოლეკულურ ფიზიკას, ორგანულ და არაორგანულ ქიმიას და მიზნად ისახავს ელექტრონული მოწყობილობების ახალ ელემენტურ ბაზაზე გადატანას. დასახული ამოცანების გადასაჭრელად და ცოდნის სხვადასხვა სფეროში მომუშავე მკვლევართა ძალისხმევის კონცენტრირებისთვის, ყველა ინდუსტრიულ ქვეყანაში იქმნება მოლეკულური ელექტრონიკის ცენტრები, ერთობლივი ლაბორატორიები, იმართება საერთაშორისო კონფერენციები და სემინარები.

ახლა, როგორც ჩანს, და უახლოეს მომავალში, ძნელია ვისაუბროთ მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობების შექმნაზე, რომლებიც მოქმედებენ ცალკეული მოლეკულების ფუნქციონირების საფუძველზე, მაგრამ ჩვენ ნამდვილად შეგვიძლია ვისაუბროთ მოლეკულური სისტემების გამოყენებაზე, რომლებშიც ინტრამოლეკულური ეფექტი აქვს. მაკროსკოპული გამოვლინება. ასეთ მასალებს შეიძლება ეწოდოს "ინტელექტუალური მასალები". „ინტელექტუალური მასალების“ შექმნის ეტაპი, ე.ი. ფუნქციური მოლეკულური ელექტრონიკის ეტაპი, ელექტრონიკის განვითარების ბუნებრივი და აუცილებელი პერიოდი, არის განსაზღვრული ეტაპი ნახევარგამტარულიდან მოლეკულურ ტექნოლოგიაზე გადასვლისას. მაგრამ შესაძლებელია, რომ ეს პერიოდი იმაზე გრძელი იყოს, ვიდრე ახლა ვფიქრობთ. უფრო რეალისტურია, განსაკუთრებით მოლეკულური ელექტრონიკის განვითარების ადრეულ ეტაპებზე, მოლეკულური სისტემების მაკროსკოპული თვისებების გამოყენება, რაც განისაზღვრება ცალკეული მოლეკულური ანსამბლების დონეზე მომხდარი სტრუქტურული რეორგანიზაციებით. ასეთი ელექტრონული მოწყობილობების ფუნქციონირების ფიზიკურმა პრინციპმა უნდა მოხსნას განზომილებიანი შეზღუდვები, სულ მცირე, დიდი მოლეკულური წარმონაქმნების ზომამდე. ელექტრონიკის თვალსაზრისით და მოლეკულური მოწყობილობების მათი ნახევარგამტარული კოლეგებთან დამაგრების პოტენციური შესაძლებლობის გათვალისწინებით, სასურველია მოლეკულურ სისტემებთან გამკლავება, რომლებიც ცვლიან ელექტროგამტარობას გარე გავლენის ქვეშ, ძირითადად ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ.

მოლეკულური ელექტრონიკის იდეები არ მცირდება ნახევარგამტარული ტრანზისტორის მოლეკულურით მარტივი ჩანაცვლებით, თუმცა ეს კონკრეტული პრობლემაც მოგვარდება. თუმცა, მთავარი მიზანია რთული მოლეკულური სისტემების შექმნა, რომლებიც ერთდროულად განახორციელებენ რამდენიმე განსხვავებულ ეფექტს, რომლებიც ასრულებენ რთულ ამოცანას. ბუნებრივია, უპირველეს ყოვლისა, ამ ტიპის ამოცანებს შორის შევიტანოთ უნივერსალური მეხსიერების ელემენტის შექმნის ამოცანა, როგორც ნებისმიერი საინფორმაციო-გამოთვლითი მოწყობილობის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილი. აშკარად ჩანს, რომ მოლეკულური ელექტრონიკის პოტენციალი უფრო მეტად გამოვლინდება ნეირონებისა და მათ დამაკავშირებელი ელექტროაქტიური სინაფსებისგან შემდგარი ნერვული ქსელების შექმნით. ხელოვნური ნეირონების მოლეკულური ელექტრონიკის საშუალებით, ერთ ქსელში ჩართული სხვადასხვა ტიპის სენსორების შექმნა, გზას გაუხსნის ნეიროკომპიუტერულ იდეოლოგიას თანდაყოლილი ყველა პოტენციალის რეალიზებას, საშუალებას მისცემს შექმნას ფუნდამენტურად ახალი ტიპის ინფორმაცია და გამოთვლითი სისტემები და მიუახლოვდნენ ხელოვნური ინტელექტის შექმნის პრობლემის გადაჭრას.

ბაქტერიოროდოფსინი: სტრუქტურა და ფუნქციები.

მოლეკულური ელექტრონიკა განისაზღვრება, როგორც ინფორმაციის კოდირება (ჩაწერა), დამუშავება და ამოცნობა (წაკითხვა) მოლეკულურ და მაკრომოლეკულურ დონეზე. მოლეკულური დაახლოების მთავარი უპირატესობა მდგომარეობს მოლეკულური დიზაინისა და მოწყობილობების წარმოების შესაძლებლობაში "ქვემოდან ზემოდან", ე.ი. ატომი ატომ ან ფრაგმენტი ფრაგმენტი, მოწყობილობების პარამეტრები განისაზღვრება ორგანული სინთეზით და გენეტიკური ინჟინერიის მეთოდებით. მოლეკულური ელექტრონიკის ორი კარგად აღიარებული უპირატესობა არის მოწყობილობის ზომის მნიშვნელოვანი შემცირება და კარიბჭის გავრცელების შეფერხება.

ბიოელექტრონიკა, რომელიც არის მოლეკულური ელექტრონიკის ფილიალი, იკვლევს ბიოპოლიმერების, როგორც მოდულების გამოყენების შესაძლებლობას, რომლებიც კონტროლდება სინათლის ან ელექტრული იმპულსებით კომპიუტერულ და ოპტიკურ სისტემებში. ძირითადი მოთხოვნა სავარაუდო კანდიდატებისთვის ბიოპოლიმერების დიდ ოჯახს შორის არის ის, რომ მათ შექცევადად უნდა შეცვალონ თავიანთი სტრუქტურა გარკვეული ფიზიკური ზემოქმედების საპასუხოდ და წარმოქმნან მინიმუმ ორი დისკრეტული მდგომარეობა, რომლებიც განსხვავდებიან ადვილად გაზომვადი ფიზიკური მახასიათებლებით (მაგალითად, სპექტრული პარამეტრები).

ამ მხრივ, პროტეინებს დიდი ინტერესი აქვთ, რომელთა ძირითადი ფუნქცია დაკავშირებულია სინათლის ენერგიის ქიმიურ ენერგიად გარდაქმნასთან სხვადასხვა ფოტოსინთეზურ სისტემაში. მათ შორის ყველაზე სავარაუდო კანდიდატი არის სინათლეზე დამოკიდებული პროტონული ტუმბო - ბაქტერიოროდოფსინი (BR) ჰალოფილური მიკროორგანიზმისგან. Halobacterium salinarum(ადრე Halobacterium halobium), აღმოაჩინეს 1971 წელს.

ბაქტერიოროდოპსინი, ბადურის შემცველი პროტონების ტრანსპორტირების გენერატორი, არის 248 ამინომჟავის ტრანსმემბრანული ცილა, მოლეკულური მასით 26 kDa, რომელიც აღწევს მემბრანაში შვიდი სახით. ა- სპირალები; პოლიპეპტიდური ჯაჭვის N- და C-ტერმინალები განლაგებულია ციტოპლაზმური მემბრანის მოპირდაპირე მხარეს: N-ბოლო მიმართულია გარედან, ხოლო C-ბოლო უჯრედის შიგნით (ნახ. 1, 2).

ნახ.1. BR მოდელი მეორადი სტრუქტურის ელემენტებში. ამინომჟავები იზოლირებულია
მონაწილეობს პროტონების ტრანსპორტირებაში: ასპარტინის მჟავის ნარჩენები წრეებში,
კვადრატული არგინინის ნარჩენი. Lys-216-ით (K-216) იქმნება შიფის ბაზა (SB).
ისარი აჩვენებს პროტონის ტრანსპორტირების მიმართულებას.

ქრომოფორი BR - პროტონირებული ბადურის ალდიმინით ა Lys-216 ნარჩენის -ამინო ჯგუფი მდებარეობს მოლეკულის ჰიდროფობიურ ნაწილში. ფოტოციკლის დროს სინათლის კვანტის შეწოვის შემდეგ, ბადურა იზომერირდება ყველა-E-დან 13Z-მდე ფორმა. ქრომოფორის ცილოვანი მიკროგარემო შეიძლება ჩაითვალოს რეცეპტორად, რომელსაც აქვს სუბსტრატის სპეციფიკა. ყველა-E /13Z-რეტინალი, რომელიც აკატალიზებს ამ იზომერიზაციას ოთახის ტემპერატურაზე. გარდა ამისა, ზოგიერთი ამინომჟავა პასუხისმგებელია იზომერიზაციების ჩახშობაზე, გარდა ყველა-E /13Z, მაგალითად ყველა-E- დან 7Z-, 9Z-, 11Z-ბადურა. პოლიპეპტიდური ჯაჭვის დანარჩენი ნაწილი უზრუნველყოფს პროტონის სატრანსპორტო არხს ან იცავს ფოტოქრომული შიდა ჯგუფს გარემოს გავლენისგან.

ქრომოფორის მოლეკულის მიერ სინათლის კვანტის შთანთქმის შემდეგ BR პოლიპეპტიდური ჯაჭვის მიერ წარმოქმნილი მეორადი სტრუქტურის ელემენტების ურთიერთ ტოპოგრაფია იცვლება, რის შედეგადაც წარმოიქმნება არხი ციტოპლაზმიდან გარე გარემოში პროტონების ტრანსმემბრანული გადაცემისთვის. თუმცა, სინათლეზე დამოკიდებული ტრანსპორტის მოლეკულური მექანიზმი ჯერ კიდევ უცნობია.

ნახ.2. BR Seven-ის სამგანზომილებიანი (სივრცითი) სტრუქტურის სქემატური მოდელი ა ხვეული ქმნიან ქრომოფორის ღრუს და ტრანსმემბრანულ პროტონული გადაცემის არხს.

BR შეიცავს უჯრედის მემბრანაში H. salinarum- ჰალოფილური არქებაქტერიები, რომლებიც ცხოვრობენ და მრავლდებიან მარილიან ჭაობებში და ტბებში, სადაც NaCl-ის კონცენტრაცია შეიძლება აღემატებოდეს 4 მ-ს, რაც 6-ჯერ მეტია, ვიდრე ზღვის წყალში (~ 0,6 მ). ეს უნიკალური ცილა მრავალი თვალსაზრისით ჰგავს ვიზუალურ პროტეინს როდოპსინს, თუმცა მათი ფიზიოლოგიური ფუნქციები განსხვავებულია. მიუხედავად იმისა, რომ ვიზუალური როდოპსინი მოქმედებს როგორც პირველადი ფოტორეცეპტორი, რომელიც უზრუნველყოფს ბნელ ხედვას ხერხემლიანთა უმეტესობას, BR-ის ფიზიოლოგიური როლი არის საშუალება ჰალობაქტერიებს იმოქმედონ როგორც ფაკულტატური ანაერობები, როდესაც გარემოში ჟანგბადის ნაწილობრივი წნევა დაბალია. ცილა ფუნქციონირებს როგორც სინათლეზე დამოკიდებული პროტონული ტუმბო, რომელიც უზრუნველყოფს პროტონების ელექტროქიმიური გრადიენტის წარმოქმნას უჯრედის მემბრანის ზედაპირზე, რაც, თავის მხრივ, ემსახურება ენერგიის შენახვას. გრადიენტის მიერ შესრულებული პირველადი სამუშაო არის ATP-ის სინთეზი ანაერობული (ფოტოსინთეზური) ფოსფორილირების გზით და, ამ შემთხვევაში, არის კლასიკური მაგალითი მიტჩელის ქიმიოსმოტური ჰიპოთეზის ოქსიდაციური ფოსფორილირების შესახებ. როდესაც არ არის შუქი და ჟანგბადის ნაწილობრივი წნევა მაღალია, ბაქტერიები უბრუნდებიან აერობულ ოქსიდაციურ ფოსფორილირებას.
უჯრედები H. salinarumასევე შეიცავს ორ ეგრეთ წოდებულ სენსორულ როდოპსინს (SR I და SR II), რომლებიც უზრუნველყოფენ დადებით და უარყოფით ფოტოტაქსის. ტალღის სხვადასხვა სიგრძე იკითხება CP I და CP II, როგორც დეტექტორის მოლეკულები, რაც იწვევს სიგნალების კასკადს, რომელიც აკონტროლებს ბაქტერიის ფლაგელალურ ძრავას. სინათლის აღქმის ამ ელემენტარული პროცესის დახმარებით მიკროორგანიზმები დამოუკიდებლად გადადიან შესაფერისი სპექტრული კომპოზიციის შუქზე. გარდა ამისა, უჯრედებს აქვთ ჰალოროდოპსინი (GH), რომელიც არის Cl - იონების სინათლეზე დამოკიდებული ტუმბო. მისი ძირითადი ფუნქციაა უჯრედში ქლორიდის იონების გადატანა, რომლებსაც მუდმივად კარგავს ბაქტერია, BR-ის მიერ შექმნილი ელექტრული ველის მოქმედებით შიგნიდან გარე მიმართულებით გადაადგილებით. GR-ის მოქმედების მექანიზმი გაურკვეველია. ვარაუდობენ, რომ Cl - უკავშირდება პროტონირებული შიფის ფუძის დადებითად დამუხტულ მეოთხედულ აზოტს და ბადურის იზომერიზაცია ხდება. ყველა-E 13Z-ფორმაზე იწვევს ამ აზოტის მოძრაობას მასზე მიმაგრებული Cl იონით - შეყვანიდან გამომავალ Cl - - გამტარ გზაზე.

ნახ.3. მეწამული გარსის მონაკვეთი (ზედა ხედი).

BR ლოკალიზებულია უჯრედის მემბრანების მიდამოებში H. salinarumმეწამული მემბრანების (PM) სახით, რომლებიც ქმნიან ორგანზომილებიან კრისტალებს ექვსკუთხა გისოსებით. ეს ადგილები შეიცავს თავად ცილას, ზოგიერთ ლიპიდს, კაროტინოიდს და წყალს (ნახ. 3). ისინი, როგორც წესი, ოვალური ან მრგვალი ფორმისაა, საშუალო დიამეტრით დაახლოებით 0,5 მკმ და შეიცავს დაახლოებით 25% ლიპიდს და 75% პროტეინს. PM მდგრადია მზის სხივების, ჟანგბადის, 80ºC-ზე მეტი ტემპერატურის (წყალში) და 140ºC-მდე (მშრალი), pH 0-დან 12-მდე, მაღალი იონური სიძლიერის (3 M NaCl), პროტეაზების უმეტესობის მოქმედებაზე, მგრძნობიარეა პოლარული ორგანული გამხსნელების ნარევების მიმართ. წყალთან ერთად, მაგრამ მდგრადია არაპოლარული გამხსნელების მიმართ, როგორიცაა ჰექსანი. დიდი პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს პოლიმერულ მატრიცებში PM-ის ჩანერგვის არსებულ შესაძლებლობას ფოტოქიმიური თვისებების დაკარგვის გარეშე.

შუქით გამოწვეული პროტონის ტრანსპორტს თან ახლავს მთელი რიგი ციკლური სპექტრული ცვლილებები BR-ში, რომელთა მთლიანობას ფოტოციკლი ეწოდება (ნახ. 4). ოცდაათწლიანმა კვლევამ გამოიწვია ფოტოციკლის საკმაოდ დეტალური გაგება, მაგრამ პროტონის ტრანსპორტირების დეტალები ჯერ კიდევ შესწავლილია.

BR-ის ფოტოქიმიური ციკლი შედგება ცალკეული შუალედური ნივთიერებებისგან, რომელთა იდენტიფიცირება შესაძლებელია როგორც შთანთქმის მაქსიმუმებით, ასევე ფორმირებისა და დაშლის კინეტიკით. სურათი 4 გვიჩვენებს BR ფოტოციკლის გამარტივებულ მოდელს.

ნახ.4. ფოტოციკლი BR.

ფოტოქიმიური და თერმული ეტაპები ნაჩვენებია, შესაბამისად, სქელი და თხელი ისრების სახით. ვერტიკალური სიმბოლოები მიუთითებს ყველა-ბადურის E-კონფორმაცია (შუალედური ბდა ო), ირიბი სიმბოლოები - 13Z-კონფორმაციამდე. სიბნელეში BR იქცევა 1:1 ნარევად დდა ბ, ამ ნარევს ჰქვია მუქი ადაპტირებული BR. როდესაც BR არის განათებული, ხდება სინათლის ადაპტაცია, ე.ი. ძირითადი მდგომარეობაზე გადასვლა ბ. იქიდან იწყება ფოტოციკლი, რაც იწვევს პროტონის მემბრანის გადატანას. გადასვლის დროს ლრომ მდაახლოებით 40 μs გრძელდება, შიფის ფუძე დეპროტონირებულია და Asp85 პროტონირებული ხდება. იქიდან პროტონი მიდის პროტონული არხის უჯრედგარე ნაწილის გარეთ. გადასვლის დროს მრომ ნალდიმინი რეპროტონირებულია. Asp96 ნარჩენი მოქმედებს როგორც პროტონის დონორი. Asp96 რეპროტონირებულია ციტოპლაზმური პროტონის ნახევარარხის მეშვეობით. მიუხედავად იმისა, რომ ყველა ტრანსფორმაცია შუალედებს შორის შექცევადია, გადასვლა M Iრომ MIIითვლება, რომ ეს არის მთავარი შეუქცევადი ნაბიჯი ფოტოციკლში. ამ გადასვლისას შიფის ფუძის აზოტი მიუწვდომელი ხდება პროტონული არხის უჯრედგარე ნაწილისთვის, მაგრამ მხოლოდ ციტოპლაზმური ნახევარარხისთვის, რომელიც დაკავშირებულია ცილის მოლეკულის კონფორმაციულ ცვლილებებთან.

შუალედური ნივთიერებების ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები ხასიათდება მათი შთანთქმის მაქსიმალური ტალღის სიგრძით და სპეციფიკური მოლური ჩაქრობის კოეფიციენტის მნიშვნელობით. SB-ის პროტონაცია და რეტინილიდენის ნარჩენების კონფიგურაცია გავლენას ახდენს შთანთქმის მაქსიმალური სიდიდეზე. BR ფოტოციკლის დროს ცილაში ხდება რამდენიმე ტემპერატურაზე დამოკიდებული კონფორმაციული ცვლილება, ამიტომ შუალედური ნივთიერებების უმეტესობის წარმოქმნა შეიძლება შეჩერდეს გაგრილებით.

გარდა ძირითადი ფოტოციკლისა, არსებობს ორი მდგომარეობა, რომელიც შეიძლება ხელოვნურად იყოს გამოწვეული. შუალედებში პდა ქბადურის კონფორმაცია 9Z. ეს მიიღწევა ფოტოქიმიური აგზნების შემდეგ ყველა-E-ბადურა, როდესაც Asp85 პროტონირებულია ამავე დროს. ამის მიღწევა შესაძლებელია ველური ტიპის BR-ში დაბალი pH ან დეიონიზაციის დროს (ე.წ. ლურჯი მემბრანების წარმოქმნა), მაგრამ ეს პრეპარატები არ არის სტაბილური. ალტერნატიული მიდგომაა Asp85-ის ჩანაცვლება ამინომჟავით, რომელსაც აქვს განსხვავებული pKa მნიშვნელობა, რომელიც რჩება დაუმუხტველი pH-ზე, ან კარბოქსილის ჯგუფის მთლიანად მოცილება ადგილზე მიმართული მუტაგენეზის ტექნიკით. ასეთი მუტანტური ლურჯი გარსების სტაბილურობა უფრო მაღალია.

ბაქტერიოროდოპსინის უნიკალური თვისებები უზრუნველყოფს ტექნიკური აპლიკაციების ფართო სპექტრს, რომლებშიც მისი გამოყენება შესაძლებელია, თუმცა, ამჟამად მხოლოდ ოპტიკურია კომერციულად მიზანშეწონილი, რადგან მათი ინტეგრაცია თანამედროვე ტექნიკურ სისტემებში ყველაზე მარტივია.

ოპტიკური აპლიკაციები დაფუძნებულია BR ფილმების გამოყენებაზე - სხვადასხვა კომპოზიციის პოლიმერული მატრიცები, მათში შემავალი ცილის მოლეკულებით. ველური ტიპის BR-ზე დაფუძნებული მსგავსი ფილმები მსოფლიოში პირველად იქნა მოპოვებული და შესწავლილი ჩვენს ქვეყანაში „როდოპსინის“ პროექტის ფარგლებში; 1980-იან წლებში გამოვლინდა ისეთი მასალების, სახელწოდებით „ბიოქრომის“ გამოყენების ეფექტურობა და პერსპექტივები, როგორც ფოტოქრომული მასალა და ჰოლოგრაფიული ჩაწერის საშუალება.

დიდი ინტერესია BR ფილმების ფოტოქიმიური თვისებების ცვალებადობის შესაძლებლობა:
ა) ბუნებრივი ქრომოფორის შეცვლა მოდიფიცირებულით;
ბ) ქიმიური (ფიზიკურ-ქიმიური) ზემოქმედება;
გ) გარკვეული ამინომჟავების ნარჩენების წერტილოვანი ჩანაცვლება გენეტიკური ინჟინერიის მეთოდებით.

ასეთ მოდიფიცირებულ მასალებს შეიძლება ჰქონდეს ღირებული სპეციფიკური თვისებები, რაც წინასწარ განსაზღვრავს მათ გამოყენებას, როგორც ბიოკომპიუტერის ელემენტის ბაზას.

მოაზროვნე მოლეკულა

ბოლო წლების განმავლობაში, მრავალი ქვეყნის მეცნიერები დაუბრუნდნენ ძველ და მარტივ იდეას "ქიმიური" კომპიუტერის შესახებ, რომელშიც გამოთვლები ხორციელდება ცალკეული მოლეკულებით. გასული წლის განმავლობაში, ერთდროულად რამდენიმე ლაბორატორიის მკვლევარებმა შეძლეს ამ სფეროში ბრწყინვალე შედეგების მიღება, რაც სიტუაციის რადიკალურად შეცვლას გვპირდება.

მეცნიერებმა დიდ წარმატებას მიაღწიეს ფსევდოროტოქსანის მოლეკულებთან მუშაობისას (ისინი ნაჩვენებია სურ. 1-ზე).

მათ მოახერხეს ასეთი მოლეკულის მორგება, რომელსაც რგოლის ფორმა აქვს, ღერძზე - ხაზოვან მოლეკულაზე. ღერძიდან ბეჭდის გადახტომის თავიდან ასაცილებლად, მის ბოლოებზე მიმაგრებულია დიდი მოლეკულური ფრაგმენტები, რომლებიც ასრულებენ "თხილის" როლს (ამ ტევადობით გამოიყენებოდა სხვადასხვა დონორი ჯგუფი). მჟავასთან (H+) ან ფუძესთან (B) რეაქციისას რგოლს შეუძლია ღერძის ერთი ბოლოდან მეორეზე სრიალება, ქიმიური მდგომარეობის „გადაცვლა“. სასაცილოა, რომ, პრინციპში, მოლეკულურ დონეზე ხელახლა იქმნება მექანიკური მოწყობილობა, რომელიც ძალიან ჰგავს მე-17 საუკუნის პირველ, ყველაზე პრიმიტიულ, გამოთვლით მოწყობილობებში ღეროების და ბორბლების შეერთებას (თუმცა, თუ გსურთ, შეგიძლიათ ასევე იხილეთ უმარტივესი სასულიერო აბაკუსი ამ მოლეკულურ სტრუქტურაში, თითოეულ ყლორტზე თითო მუწუკით).

ეს ელეგანტური ქიმიური გადამრთველი მოლეკულა ჯერ კიდევ 90-იანი წლების დასაწყისში იქნა შესწავლილი, თუმცა იდეის პრაქტიკული განხორციელებისთვის ჯერ კიდევ საჭირო იყო ამ მინიმიკროდიოდების მასივების გაერთიანებისა და კონტროლის მეთოდების გამომუშავება. ლითონის ზედაპირზე ამ ტიპის მსგავსი ორიენტირებული მოლეკულების მონოფენის შექმნით (ეს ძალიან რთული ამოცანა მოგვარდა უახლესი ნანოტექნოლოგიური თვითაწყობის მეთოდების გამოყენებით), მეცნიერებმა მასზე მოათავსეს ოქროს ყველაზე თხელი ფენა და უკვე შექმნეს პრიმიტიული პროტოტიპები. ლოგიკური კარიბჭე ამის საფუძველზე.

რამდენიმე თვის შემდეგ, მარკ რედის და ჯეიმს ტურის ერთობლივმა ჯგუფმა (იელის და რაისის უნივერსიტეტებიდან) საზოგადოებას წარუდგინა სხვა კლასის გადამრთველი მოლეკულები. შედეგები იმდენად შთამბეჭდავი იყო, რომ ჟურნალმა "Scientific American" (2000 წლის ივნისი) ანონსის "The Birth of Molecular Electronics" (დავამატო - ბოლოს და ბოლოს!) გარეკანზეც კი დადო. როგორც ერთ-ერთი ავტორი თავშეკავებული სიამაყით წერდა: „ჩვენ შევქმენით ცვლადი ელექტრული გამტარობის მოლეკულა, რომელსაც შეუძლია ელექტრონების დაგროვება ჩვენი ბრძანებით, ანუ იმუშაოს როგორც შესანახი მოწყობილობა“.

უპირველეს ყოვლისა, ჯეიმს ტურმა სპეციალური ტექნიკის გამოყენებით მოახდინა 14 ნანომეტრის სიგრძის ბენზოლ-1,4-დითიოლატის ერთეულების მოლეკულური ჯაჭვის სინთეზირება. მასში შეიყვანეს ჯგუფები, რომლებიც იჭერენ ელექტრონებს, თუ მოლეკულა "დაძაბულობის ქვეშაა". ყველაზე რთული პრობლემა, რომელიც ასევე დაძლეულია, იყო ის, რომ შეცვლა უნდა იყოს შექცევადი ქიმიური პროცესი. იმისათვის, რომ მოლეკულამ იმუშაოს მეხსიერების ელემენტად, მას უნდა ვასწავლოთ არა მხოლოდ ელექტრონების დაჭერა, არამედ მათი შეკავება მხოლოდ მოცემულ დროში. მკაცრად რომ ვთქვათ, ეს არის კოლეგებთან რიდისა და ტურის მთავარი მიღწევა.
ელექტროქიმიური (ამ ტერმინის ყველაზე მკაცრი და პირდაპირი გაგებით!) ჩამრთველი ნაჩვენებია ნახ. 2 (მარცხენა მხარე). ეს არის სამი ბენზოლის რგოლის ჯაჭვი, რომლის ცენტრში NO 2 და NH 2 ჯგუფები მიმაგრებულია საპირისპირო მხრიდან (სურათზე ხაზგასმულია ფერით). ასეთი ასიმეტრიული მოლეკულური კონფიგურაცია ქმნის რთული ფორმის ელექტრონულ ღრუბელს, რაც იწვევს პრობლემის გადასაჭრელად საოცრად ლამაზ და ფუნდამენტურად მნიშვნელოვან ფიზიკურ ეფექტს: როდესაც ველი გამოიყენება, მოლეკულა ტრიალებს, იცვლება მისი წინააღმდეგობა და იწყებს დენის გავლას ( ფიგურის მარჯვენა მხარე). როდესაც ველი ამოღებულია, მოლეკულა ტრიალებს საპირისპირო მიმართულებით და უბრუნდება თავდაპირველ მდგომარეობას. ამ პრინციპზე დაფუძნებული ჩამრთველი არის დაახლოებით 1000 ნიტრობენზოლეთიოლის მოლეკულისგან შემდგარი ხაზოვანი ჯაჭვი, რომელიც მდებარეობს ორ მეტალის კონტაქტს შორის. უფრო მეტიც, გვირაბის მიკროსკოპის გამოყენებით გაზომვები (მოლეკულური ჯაჭვის ფრაგმენტი იყო შედუღებული ულტრა თხელ ნემსის ფორმის ოქროს ელექტროდებს შორის; ექსპერიმენტული გეომეტრია ნაჩვენებია ნახ. 3-ზე) შესაძლებელი გახადა გადამრთველის ოპერაციული პარამეტრების მიღება, რაც სამართლიანად შეიძლება ეწოდოს მოლეკულური დენი-ძაბვის მახასიათებელი და მოლეკულური გამტარობა (ნახ. .ოთხი). გამტარობის მრუდს (რომელიც, სხვათა შორის, გამოთვლილთან ძალიან ახლოს აღმოჩნდა) მკაფიოდ გამოხატული ჩაძირვა აქვს. ეს შესაძლებელს ხდის მოლეკულის მონაკვეთების გადატანას გამტარ მდგომარეობიდან არაგამტარ მდგომარეობაში და პირიქით, გამოყენებული ძაბვის მარტივი ცვლილებით. ფორმალურად და რეალურად მიღებული (ქიმიკოსი, რა თქმა უნდა, უპირატესობას ანიჭებს ტერმინს "სინთეზირებული") მოლეკულური ტრიოდი. მართლაც, ეს შეიძლება ჩაითვალოს მოლეკულური ელექტრონიკის შექმნის პირველ ეტაპად.

დასკვნა

მიუხედავად იმისა, რომ მოლეტრონიკის თეორიული საფუძვლები უკვე საკმარისად კარგად არის განვითარებული და შეიქმნა ლოგიკური სქემების თითქმის ყველა ელემენტის პროტოტიპები, მაგრამ მნიშვნელოვანი სირთულეები წარმოიქმნება მოლეკულური კომპიუტერის რეალურად აგების გზაზე. ცალკეული მოლეკულების ელექტრონული მოწყობილობების ლოგიკურ ელემენტებად გამოყენების გარეგნულად აშკარა შესაძლებლობა აღმოჩნდება ძალიან პრობლემური მოლეკულური სისტემების სპეციფიკური თვისებებისა და ლოგიკური ელემენტების მოთხოვნების გამო.

უპირველეს ყოვლისა, ლოგიკურ ელემენტს უნდა ჰქონდეს მუშაობის მაღალი საიმედოობა საკონტროლო მოქმედების გამოყენებისას. თუ გავითვალისწინებთ ელემენტებს შორის ოპტიკურ კავშირს, მაშინ სისტემაში ერთი მოლეკულა - ერთი ფოტონი, გადართვის საიმედოობა დაბალი იქნება მოლეკულის აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასვლის შედარებით დაბალი ალბათობის გამო. შეიძლება სცადოთ ამ სირთულის დაძლევა კვანტების დიდი რაოდენობის ერთდროულად გამოყენებით. მაგრამ ეს ეწინააღმდეგება კიდევ ერთ მნიშვნელოვან მოთხოვნას: ცალკეული ელემენტის მიერ სიგნალის გარდაქმნის ეფექტურობა უნდა იყოს ერთიანობასთან ახლოს, ანუ საშუალო რეაქციის სიმძლავრე უნდა იყოს საშუალო დარტყმის სიმძლავრის პროპორციული. წინააღმდეგ შემთხვევაში, როდესაც ელემენტები გაერთიანებულია ჯაჭვში, მათი მოქმედების ალბათობა შემცირდება, რადგან ისინი შორდებიან ჯაჭვის საწყისს. გარდა ამისა, ელემენტი ცალსახად უნდა გადავიდეს საჭირო მდგომარეობაში და დარჩეს მასში საკმარისად დიდი ხნის განმავლობაში - მომდევნო ზემოქმედებამდე. შედარებით მარტივი მოლეკულებისთვის ეს მოთხოვნა, როგორც წესი, არ არის დაკმაყოფილებული: თუ აღგზნებულ მდგომარეობაში გადასვლა შეიძლება გაკონტროლდეს, მაშინ საპირისპირო გადასვლა შეიძლება მოხდეს სპონტანურად.

თუმცა ყველაფერი ასე ცუდად არ არის. დიდი ორგანული მოლეკულების ან მათი კომპლექსების გამოყენება, პრინციპში, შესაძლებელს ხდის ჩამოთვლილი სირთულეების გვერდის ავლით. მაგალითად, ზოგიერთ ცილაში ელექტრონულ-ოპტიკური გარდაქმნის ეფექტურობა ახლოსაა ერთიანობასთან. გარდა ამისა, დიდი ბიოორგანული მოლეკულებისთვის, აღგზნებული მდგომარეობის სიცოცხლე ათეულ წამს აღწევს.

მაგრამ იმ შემთხვევაშიც კი, თუ ერთ მოლეკულურ გამოთვლით ელემენტს არ გააჩნია მისი სილიკონის წინამორბედების საიმედოობა, მომავალი კომპიუტერის ეფექტური მოქმედება შეიძლება მიღწეული იყოს სუპერკომპიუტერებში გამოყენებული მოლეტრონიკისა და პარალელური გამოთვლის პრინციპების კომბინაციით. ამისათვის თქვენ უნდა გაააქტიუროთ რამდენიმე იდენტური მოლეკულური ლოგიკური ელემენტი პარალელურად. მაშინ ერთ-ერთი მათგანის არასწორი მოქმედება არ გამოიწვევს გამოთვლების შესამჩნევ წარუმატებლობას. თანამედროვე, მასიურად პარალელური სუპერკომპიუტერი, რომელსაც აქვს მრავალი ასეული პროცესორი, შეუძლია შეინარჩუნოს მაღალი შესრულება, მაშინაც კი, თუ მათი 75% მარცხდება. თითქმის ყველა ცოცხალი სისტემა იყენებს პარალელიზმის პრინციპს. ამიტომ, ორგანიზმების არასრულყოფილება ცალკეული უჯრედების ან გენების დონეზე ხელს არ უშლის მათ ეფექტურად ფუნქციონირებას.

დღეს მსოფლიოში ათზე მეტი სამეცნიერო და ტექნოლოგიური ცენტრია ჩართული მოლეკულური ელექტრონიკის მოწყობილობების შემუშავებაში. ყოველწლიური კონფერენციები აერთიანებს ამ დარგის ასობით ექსპერტს.

მოლეტრონიკისადმი დიდი ინტერესი გამოწვეულია არა მხოლოდ კომპიუტერის აგების პერსპექტივით, არამედ ახალი ტექნოლოგიების განვითარების ფართო შესაძლებლობებით. მოლეკულური ელექტრონული მოწყობილობების სინათლის მიმართ მაღალი მგრძნობელობის გამო, მათი გამოყენება შესაძლებელია მზის ენერგიის ეფექტური გადამყვანების შესაქმნელად, ფოტოსინთეზის პროცესის სიმულაციისთვის და გამოსახულების დეტექტორების ახალი კლასის შესაქმნელად, რომლის პრინციპი დაემსგავსება ადამიანის თვალის მუშაობას. . მოლეკულური მოწყობილობები ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც სელექციური სენსორები, რომლებიც რეაგირებენ მხოლოდ გარკვეული ტიპის მოლეკულებზე. ასეთი სენსორები აუცილებელია ეკოლოგიაში, მრეწველობასა და მედიცინაში. ორგანული მოლეკულებისგან დამზადებული სენსორი ბევრად უფრო ადვილია ადამიანის სხეულში იმპლანტირება, რათა აკონტროლოს მისი მდგომარეობა.

მოლეკულური ელექტრონიკის წინაშე არსებული პრობლემების გადაჭრა მოითხოვს მეცნიერთა ფართო სპექტრს, რომლებიც მუშაობენ აკადემიური ცოდნის სფეროში კოლოიდური ქიმიიდან და ბიოლოგიიდან თეორიულ ფიზიკამდე, ასევე მაღალი ტექნოლოგიების სფეროში. გარდა ამისა, საჭიროა მნიშვნელოვანი ფინანსური ინვესტიციები.

ასევე აუცილებელია ახალი მაღალკვალიფიციური კადრების მომზადება ამ კომპლექსურ სფეროში სამუშაოდ, რომელიც დგას მეცნიერებათა კვეთაზე. მაგრამ, როგორც ჩანს, 10-15 წელიწადში ის მნიშვნელოვან როლს ითამაშებს მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში.

გამოყენებული მასალის ჩამონათვალი

ქსელის ცნობით ინტერნეტი , სტატიები:

1. გონჩაროვა ე., ბიოტექნოლოგიის ბაკალავრი;

2. ზაიცევი ვ., შიშლოვა ა., ლომონოსოვის სახელობის მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის ფიზიკის განყოფილება. მ.ვ.ლომონოსოვი;

3. კრიგერ იუ, დოქ. ნ.