Enviar seu bom trabalho na base de conhecimento é simples. Use o formulário abaixo

Estudantes, estudantes de pós-graduação, jovens cientistas que usam a base de conhecimento em seus estudos e trabalhos ficarão muito gratos a você.

ano 2014

Tema: Polímeros e suas aplicações no século XXI

1. Polímeros

1. Definição de policondensação molecular de polímero

v Por sua definição, um polímero é um composto de alto peso molecular contendo uma quantidade suficiente de monômeros ou “unidades monoméricas.

v Em outras palavras, os polímeros são cadeias lineares que consistem em um número maior (N>1) de unidades idênticas. Por exemplo, para polímeros sintéticos N ~ 102-104.

v Como regra, os polímeros são substâncias com um peso molecular de vários milhares a vários milhões.

2. Primeira produção de polímero:

v Em 1867, o químico russo Alexander Butlerov obteve o primeiro polímero - poliisobutileno anteriormente desconhecido.

v E em 1910, Sergei Lebedev, também químico russo, sintetizou a primeira amostra de borracha artificial ((CH3)2C=CH2)n

3. Reações para obtenção de polímeros - policondensação e polimerização:

v Basicamente, todos os polímeros são obtidos por dois métodos - reações de policondensação e polimerização.

v Moléculas contendo uma ligação múltipla (mais frequentemente dupla) entram na reação de polimerização. Tais reações ocorrem pelo mecanismo de adição, tudo começa com a quebra de ligações duplas (reação nº 1 - obtenção do polietileno):

v Este tipo de reação produz muitos polímeros, incluindo capron.

Hospedado em http://www.allbest.ru/

ano 2014

1. Classificação de polímeros:

2. Estrutura dos polímeros:

3. Aplicação:

v Devido às suas propriedades valiosas, os polímeros são usados ​​em engenharia, indústria têxtil, agricultura e medicina. Automotivo e naval, fabricação de aeronaves e no dia a dia (têxteis e produtos de couro, louças, colas e vernizes, bijuterias e outros itens).

v Com base em compostos macromoleculares, são produzidos borracha, fibras, plásticos, filmes e tintas.

2. Polímeros. Aplicação no século 21

v A ciência não parou por muito tempo, e durante esse período de tempo desde a descoberta do polímero até os dias atuais, muitas modificações dessa substância incrível foram criadas. Alguns dos desenvolvimentos mais recentes são os três polímeros a seguir, cada um com propriedades únicas.

1. "Argila inteligente"

v O principal componente dessa plasticina é o polidimetilsiloxano - (C2H6OSi) n. Este polímero combina várias propriedades incomuns. Assim, dependendo das diferentes condições ambientais, ele se comporta de maneira diferente: em repouso, se espalha como um líquido, com um forte impacto mecânico se desfaz em pedaços como um corpo sólido.

v “Smart Plasticine” foi obtido por acidente, seu inventor misturou óleo de silicone com ácido bórico na esperança de obter um novo tipo de borracha, mas a massa pegajosa acabou não sendo nada parecida.

2. Hidrogel

v Hidrogéis - são grânulos sólidos, uma substância polimérica capaz de aumentar de volume em mais de dez vezes em algumas horas. Tudo o que é necessário é água, os grânulos incham, ficam macios como cera, quando a água evapora, eles encolhem e endurecem novamente. Essas substâncias são chamadas de superabsorventes, elas não apenas absorvem uma enorme quantidade de água, mas o polímero inchado a mantém dentro com suas próprias moléculas.

v Quando o solvente é absorvido pelo polímero, as bobinas são esticadas, ou seja, no estado inicial, a bobina de polímero comprimido absorve um solvente, como a água, e é incluído no interior da bobina.

v Este princípio também está subjacente aos eco-solos, hidrogéis usados ​​na agricultura. Normalmente, ao regar as plantas, a maior parte da água vai para as camadas mais profundas do solo. O hidrogel adicionado ao solo não permite que ele flua pelos dedos, mesmo que a planta crie raízes através do grânulo, a água não sairá dele.

v Como a molécula de água está embutida dentro das cadeias poliméricas do hidrogel, nenhum fluxo de água é observado durante a destruição física do hidrogel e o sistema mantém as mesmas propriedades de antes da destruição.

v O exemplo mais marcante do trabalho de um superabsorvente são as fraldas descartáveis ​​infantis, mesmo quem não as conheceu sabe como elas funcionam. A construção multicamada contém o mesmo polímero de absorção de líquidos que uma esponja. O hidrogel, substância semelhante de uma fralda, também é capaz de realizar trabalhos mais sérios, por exemplo, na indústria do petróleo.

v Tem havido sérios problemas na produção de petróleo há muito tempo. Ao bombear, para cada tonelada de "ouro negro" há três toneladas de água. Enormes quantias de dinheiro são gastas na limpeza do óleo do excesso de líquido. Há muito tempo, os cientistas procuram uma maneira de separar o óleo da água antes de entrar no oleoduto, a solução foi encontrada no laboratório da Universidade Estadual de Moscou.

v O fluido polimérico é bombeado para um poço de petróleo e se comporta de forma diferente dependendo se o poço passa por um reservatório de água ou por um reservatório de óleo.

v O princípio de operação é bastante simples. Uma vez no poço, o fluido do polímero reage de forma diferente ao óleo e à água, não reage com o “ouro negro”, mas quando o polímero encontra a água em seu caminho, ele a absorve imediatamente. O gel inchado entope a camada de água e não a deixa sair. A expansão do hidrogel cria pressão adicional no óleo, o que faz com que ele seja espremido em um estado limpo.

3. "Medicina inteligente

v Alguns polímeros têm a capacidade de responder a mudanças no ambiente externo, portanto, a “plastina inteligente” muda de cor dependendo da temperatura. Em água fria, escurece visivelmente, se transferido para água em temperatura ambiente, retorna à sua cor original. Quando a temperatura muda, a densidade da bobina muda, ou seja, quanto menor a temperatura, menor o volume da bobina e, assim, quando a temperatura cai, o corante é espremido e, quando é arrastado, o corante é puxado para dentro da bobina, o que leva a uma mudança na cor.

v O polímero espreme a tinta como uma esponja de água, mas e se o corante for substituído por um medicamento, o polímero será capaz de distribuir a dose certa do medicamento de maneira controlada? Existe uma droga de transporte tão direcionada em um organismo vivo, esse problema, que está sendo resolvido e que precisa ser resolvido, está sendo combatido com muita seriedade.

v A maioria dos medicamentos é desperdiçada. O comprimido não sabe como encontrar um órgão doente, tendo dissolvido no estômago, ele se dispersará por todo o corpo através do sangue, não mais que 10% da droga chegará ao lugar certo. Idealmente, o medicamento deve ir diretamente ao órgão doente e não causar efeitos colaterais.

v Os “polímeros inteligentes” podem responder não apenas à temperatura, eles são sensíveis a qualquer mudança no ambiente para o qual serão programados. Sabemos que a lesão é acompanhada de acidificação; o ambiente se torna ácido, mas esse hélio é feito, de modo que quando acidificado, ele encolhe um pouco e desloca o remédio que foi injetado nele.

v Com base no gel de polímero, foi criado um medicamento exclusivo - hidrogéis para cicatrização de feridas. O hidrogel consiste em oito componentes que são misturados em água destilada em uma determinada sequência. Em escala industrial, cada componente é adicionado em um determinado intervalo de tempo; durante a reação, essas substâncias criam uma estrutura polimérica estável, na qual o medicamento é adicionado.

v O gel é um veículo que contém um medicamento em microcápsulas, também é chamado de “gel inteligente” - pois, independentemente das pessoas que o utilizam, ele procura e encontra lesões e presta assistência. Como parte do hidrogel, não um, mas vários medicamentos ao mesmo tempo, uma vez na ferida, o polímero os fornece por sua vez, dependendo do que o corpo precisa para anestesiar ou iniciar o processo de cicatrização, o medicamento é entregue à ferida gradualmente e por muito tempo, e então pode simplesmente ser lavado com água. Antes deste trabalho, não havia nada parecido na Rússia.

v O invólucro de uma cápsula (comprimido) funciona com o mesmo princípio, é feito de um polímero especial, sendo responsável não só pela entrega dos medicamentos ao seu destino pretendido, mas também pela liberação de determinada dose do medicamento ao longo um longo período de tempo.

Bibliografia

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

Hospedado em Allbest.ru

...

Documentos Semelhantes

Formação de um composto macromolecular a partir de moléculas monoméricas simples no decorrer de reações de polimerização e policondensação. O processo de policondensação é um processo passo a passo no qual os produtos resultantes interagem entre si. Cadeias moleculares.

resumo, adicionado em 28/01/2009


O estudo do conceito e estrutura dos polímeros, sua classificação por origem, forma de moléculas, por natureza. Características dos principais métodos de obtenção - policondensação e polimerização. Plásticos e fibras. O uso de polímeros em medicina e construção.

apresentação, adicionada em 12/10/2015


Implementação prática de polimerização em emulsão e copolimerização de monômeros acrílicos, velocidade de reação e cinética, fatores influenciadores. O método de criação preliminar de uma emulsão concentrada, a formação de uma microemulsão e a análise de sua dispersão.

artigo, adicionado em 22/02/2010


Classificação das reações de policondensação, a profundidade do seu curso, a equação de Carothers. Influência de vários fatores no peso molecular e rendimento do polímero durante a policondensação. Métodos de reação. Polímeros obtidos pela reação de policondensação.

teste, adicionado em 19/09/2013


O polietileno é um composto de alto peso molecular, um polímero de etileno; sólido branco, resistente a óleos, acetona, gasolina e outros solventes. Escopo de polietileno. Escopos de tubos de polietileno e suas principais vantagens.

resumo, adicionado em 27/10/2010


Conceito geral de polímeros. O processo de obtenção de compostos macromoleculares. Materiais e dispositivos biocompatíveis. Polímeros orgânicos, organoelementos e inorgânicos. polímeros orgânicos naturais. O uso de bioadesivos na terapia não invasiva.

resumo, adicionado em 23/04/2013


O que são polímeros e características do desenvolvimento da ciência dos polímeros. Descrição das diferenças nas propriedades de compostos de alto e baixo peso molecular. A história do desenvolvimento da produção de polímeros. Processo tecnológico de formação, produção e distribuição de polímeros.

resumo, adicionado em 12/06/2011


A formação de um composto de alto peso molecular a partir de moléculas de monômero durante a polimerização, reações de policondensação. O processo de policondensação é um processo passo a passo no qual os produtos resultantes interagem entre si. polimerização catalítica.

resumo, adicionado em 28/01/2009


Polímeros como substâncias orgânicas e inorgânicas, amorfas e cristalinas. Características da estrutura de suas moléculas. A história do termo "poliméria" e seu significado. Classificação dos compostos poliméricos, exemplos dos seus tipos. Aplicação na vida cotidiana e na indústria.

apresentação, adicionada em 10/11/2010


Classificação, estrutura dos polímeros, sua aplicação em diversas indústrias e na vida cotidiana. A reação de formação de um polímero a partir de um monômero é a polimerização. Fórmula para obtenção de polipropileno. Reação de policondensação. Obtenção de amido ou celulose.

Polímeros polares são caracterizados pela presença de dipolos permanentes em sua estrutura. Se a conformação do polímero for rigidamente fixada, o momento resultante da molécula será determinado pela adição ou subtração dos momentos dos segmentos individuais. Em geral, as moléculas de polímero não estão em uma conformação fixa, e o valor experimental, o momento dipolar quadrático médio, é uma média em muitas conformações diferentes.

Para polímeros polares, a permissividade é determinada não apenas por polarização eletrônica, mas também por polarização ressonante e de relaxamento. O tempo característico para o estabelecimento da polarização ressonante depende da temperatura e é de 10-13 -10-12 s. O tempo de estabelecimento da polarização de relaxação depende da temperatura e varia em muitas ordens de grandeza. Portanto, a permissividade dos polímeros polares diminui com a frequência e depende de forma complexa da temperatura.

Para polímeros polares, que têm uma permissividade maior do que os apolares, a polarização molar diminui com o aumento da temperatura. A relação (1.5) neste caso é transformada para a forma

onde são os componentes do tensor da polarizabilidade da deformação da molécula, é o seu momento dipolar constante (resultante) da molécula, é a constante de Boltzmann, é a temperatura. A equação (1.6) é freqüentemente chamada de equação de Debye para polarização molar.

Os momentos de dipolo dos grupos atômicos dependem essencialmente do tipo de sua ligação química com a molécula na qual eles entram. A necessidade de levar em conta a forte interação local entre a molécula e seu ambiente e, como consequência disso, o

ordenação, levou-se em conta a introdução do coeficiente de correlação, definido como:

onde é o número de moléculas mais próximas no sistema, γ é o ângulo entre a molécula no ponto de referência e seu vizinho mais próximo. Levando em conta o coeficiente de correlação e algumas outras melhorias feitas por Fröhlich, o resultado final foi a seguinte equação (chamada de equação de Fröhlich), que relaciona a permissividade macroscópica ao momento de dipolo da molécula:

onde é o índice de refração da luz em um dado dielétrico.

Em todos os polímeros polares, distinguem-se dois tipos de perdas por relaxação: dipolo-segmentar e dipolo-grupo. O primeiro tipo é devido ao movimento de segmentos de macromoléculas em grande escala, que podem ser representados como vibrações de flexão da cadeia molecular principal. O segundo tipo de perda está associado à rotação de pequenos grupos polares contidos nos ramos laterais da macromolécula. Várias regiões de máximos de perda de dipolo-grupo (β, γ, δ) são observadas quando o polímero tem grupos polares com mobilidade diferente. Observe que alguma mobilidade de grupos polares é mantida até temperaturas de hélio.

À medida que a polaridade do polímero aumenta, as perdas dielétricas devido à condutividade elétrica aumentam. Eles são observados em altas temperaturas em baixas frequências e aumentam exponencialmente com o aumento da temperatura.

ligações entre condutores e componentes do circuito em vários chips eletrônicos, permitindo-lhes aumentar sua velocidade.

As poliimidas são consideradas na microeletrônica moderna como um dos materiais isolantes mais promissores. Esses polímeros possuem boas propriedades térmicas, mecânicas e elétricas, que podem ser melhoradas ainda mais se sua constante dielétrica for reduzida. Uma das poliimidas aromáticas mais simples tem a seguinte fórmula estrutural:

A fim de reduzir a constante dielétrica da poliimida, foi proposto substituir alguns dos átomos de hidrogênio por átomos de flúor, uma vez que a polarizabilidade das ligações C-F é menor que a das ligações C-H. A ligação C-F é muito polar, o que, no entanto, não afeta a permissividade em altas frequências, mas pode levar a um aumento em baixas frequências. No entanto, as poliimidas são geralmente usadas em temperaturas abaixo da temperatura de transição vítrea, de modo que a polarização orientacional é difícil e não faz uma contribuição perceptível na faixa de frequência de operação. Além disso, o uso de substituição simétrica ajuda a evitar o momento de dipolo resultante:

A utilização de poliimidas fluoradas permite reduzir a constante dielétrica de 3,4 para 2,8.

Outra maneira de reduzir a constante dielétrica é aumentar a fração de volume livre1 no material polimérico. Um aumento no volume livre leva a uma diminuição no número de grupos polarizáveis ​​por unidade de volume, reduzindo assim a constante dielétrica do polímero. As estimativas mostram que este método permite reduzir o valor da permissividade em várias dezenas de por cento em relação ao valor inicial.

Em geral, considerando ambos os métodos, pode-se concluir que ao criar estruturas moleculares com baixa permissividade, a regulação do volume livre é tão importante quanto a escolha de grupos funcionais com baixa polarizabilidade.

Juntamente com a criação de dielétricos poliméricos com baixa constante dielétrica, outro problema tornou-se urgente nos últimos anos - a criação de materiais dielétricos poliméricos de película fina com um valor ultra-alto da constante dielétrica. Eles devem ser usados ​​como camadas dielétricas de porta em transistores orgânicos de efeito de campo (OPTs). Uma série de requisitos específicos são impostos aos dielétricos de porta dos OPTs. Essas camadas devem ter uma alta constante dielétrica, baixa condutividade e perdas, e sua espessura não deve exceder várias centenas de nanômetros. Atualmente, finas camadas de óxidos inorgânicos, como SiO2, Ta2O5, Al2O3 e vários outros, são amplamente utilizadas como camadas dielétricas de porta na fabricação de OPTs. A permissividade desses óxidos é de aproximadamente 6-30 em uma espessura de camada de 5 a 500 nm.

1 O volume livre em um polímero é o volume adicional ao ocupado pelos átomos, com base em seu raio de van der Waals, o volume.

O problema da transição de óxido inorgânico para camadas dielétricas poliméricas está associado à necessidade de simplificar a tecnologia de fabricação de OPTs, uma vez que a implementação da tecnologia de “impressora”1 para fabricação de OPTs com dielétricos de óxido é difícil.

Os dielétricos de polímeros polares devem ser considerados como materiais promissores que podem ser usados ​​para esses fins. De particular interesse são os dielétricos poliméricos cujas moléculas contêm grupos polares com um grande momento de dipolo. Um representante típico desta classe de dielétricos de polímeros é o éter ciano de álcool polivinílico (CEPS). A fórmula estrutural da unidade monomérica CEPS tem a forma

O CEPS é caracterizado por um dos maiores valores de constante dielétrica entre os materiais poliméricos conhecidos. O valor ε deste polímero a uma frequência de cerca de 103 Hz é

15, e tgδ não excede 0,1 - 0,15.

Uma permissividade tão significativa de CEPS é devido à presença de nitrila altamente polar (CN), car-

grupos bonila (C=O) e hidroxila (OH) capazes de se orientar sob a ação de um campo elétrico externo (Fig. 1.12). Com uma orientação favorável desses grupos, o valor máximo do momento de dipolo igual a 5,13 D é fornecido, mas em média o valor total

1 A tecnologia de fabricação de "impressora" da OPT é baseada no método de impressão a jato de tinta, bem como no método de impressão de impressão por microcontato e impressão por transferência térmica.

o momento dipolar da unidade monomérica (levando em conta o coeficiente de correlação g = 0,84) é 3,63 D.

Arroz. 1.12. Um momento dipolar significativo da unidade monomérica CEPS surge como resultado da orientação dos grupos polares

Dielétricos de polímeros são amplamente utilizados em vários dispositivos eletrônicos. Na eletrônica orgânica, eles são mais frequentemente usados ​​na forma de filmes finos; portanto, mesmo em tensões de operação relativamente baixas, a intensidade do campo elétrico neles atinge valores significativos. De fato, em um filme de 100 nm de espessura, quando exposto a uma voltagem de 10 V, a intensidade média do campo já é de 106 V/s, mas em regiões locais do polímero, por exemplo, na fronteira do amorfo ou cristalino regiões ou na interface eletrodo-polímero, pode exceder significativamente este valor. Assim, os problemas associados à resistência elétrica de filmes finos de polímeros e seu desempenho em um campo elétrico forte são de suma importância.

Até o momento, foi estabelecido que a destruição elétrica de filmes não é um evento crítico que ocorre quando uma certa intensidade de campo é atingida. Seu tempo de vida em um campo elétrico (durabilidade) diminui exponencialmente com o aumento de sua intensidade. Destruição elétrica por

filmes poliméricos podem ser vistos como um processo que consiste em duas etapas sucessivas. No primeiro estágio (preparatório), ocorre o acúmulo de danos às macromoléculas iniciados pelo campo elétrico. A duração desta etapa determina a durabilidade da amostra de filme em um campo elétrico (o tempo desde o momento em que a tensão é aplicada ao polímero até a ruptura). No segundo estágio (final), o dielétrico do polímero perde sua capacidade de resistir ao fluxo de corrente de alta densidade, seu aumento acentuado é observado, ou seja, ocorre uma ruptura elétrica.

A resistência elétrica de filmes de muitos polímeros foi estudada em tensões constantes, alternadas e pulsadas. Os estudos realizados mostram que a quebra de filmes finos de polímeros

tipos pessoais ocorre em campos com intensidade de (2–6) 108 V/m.

Esse valor praticamente não difere da intensidade de campo, na qual, sob condições de descargas parciais limitadas, filmes de polímeros mais espessos se rompem.

Fatores importantes que determinam em grande parte as abordagens usadas para considerar o mecanismo de ruptura elétrica de estruturas de polímeros de película fina são a dependência de sua vida elétrica na intensidade do campo e a influência da taxa de aumento de tensão e do material do eletrodo na resistência à ruptura.

O efeito observado da intensidade do campo elétrico sobre a durabilidade e a taxa de aumento da tensão sobre a resistência à ruptura parece ser um fato muito importante, pois pode ser considerado como uma indicação de que a destruição elétrica de filmes finos de polímeros é de fato o resultado de um acúmulo gradual de danos (mudanças) culminando em um colapso. Durante este processo, são criadas condições sob as quais, em um determinado momento, sob a influência de um forte campo elétrico, o dielétrico do polímero perde sua

propriedades” e é capaz de passar correntes significativas, levando à sua destruição (quebra) devido à liberação de calor.

A degradação de um material polimérico em um campo elétrico ocorre devido à quebra de ligações químicas em moléculas de polímero, liberação de energia durante a recombinação de cargas e liberação de calor durante o fluxo de uma corrente de alta densidade.

1.6. POLÍMEROS COM CONDUTIVIDADE PRÓPRIA

A principal diferença entre dielétricos de polímeros e polímeros com condutividade eletrônica intrínseca é que os primeiros não contêm ligações químicas conjugadas que os últimos contêm.

Entre a variedade de polímeros condutores, de acordo com a classificação proposta por A. V. Vannikov, com base nas características do transporte de portadores de carga, os seguintes grupos podem ser convencionalmente distinguidos.

1. A condutividade é determinada pelo transporte de portadores de carga ao longo de cadeias policonjugadas poliméricas. Representantes típicos deste grupo de polímeros são poliacetileno orientado, politiofeno, polipirrol.

2. Os portadores de carga movem-se ao longo das cadeias policonjugadas do polímero, mas o transporte total é determinado pelos saltos dos portadores de carga entre as cadeias do polímero. Este grande grupo inclui numerosos derivados de polifenileno vinileno, polimetilfenilsilileno e outros. Deve-se notar aqui que a transferência de carga intermolecular dificulta muito o transporte, de modo que a mobilidade dos portadores de carga em tais polímeros é significativamente menor do que a mobilidade intramolecular.

3. Centros de transporte localizados estão localizados na cadeia principal do polímero, que não possui policonjugação, por exemplo, uma poliimida contendo grupos de transporte trifenilamina ou antraceno na cadeia principal.

4. Centros de transporte localizados são substituintes laterais do esqueleto do polímero. Estes incluem polivinilcarbazol, poliepoxipropilcarbazol, polivinil antraceno, etc.

5. O último e mais extenso grupo inclui polímeros dopados com compostos ativos de baixo peso molecular. Em tais compostos, é a matriz polimérica que, via de regra, determina propriedades físico-mecânicas e espectrais do sistema.

O mecanismo de condução dos polímeros pertencentes aos grupos 2-5 é o hopping e está associado à transferência de portadores de carga através dos centros de transporte. Por sua natureza e regularidades observadas, é semelhante ao mecanismo de salto de mobilidade. Dependendo da natureza do polímero, a mobilidade neles pode ser de elétron ou buraco.

O transporte de furos é realizado através de centros de transporte que possuem um potencial mínimo de ionização. Normalmente, estes são grupos ou compostos de aminas aromáticas. O transporte de lacunas está associado ao salto de um elétron do orbital molecular mais alto (nível HOMO) do centro de transporte neutro para o orbital molecular do centro de transporte carregado positivamente vizinho.

O transporte de elétrons ocorre através de centros de transporte caracterizados pela máxima afinidade eletrônica. Na maioria das vezes, os grupos contendo oxigênio atuam como tais centros. Um elétron do orbital molecular do centro carregado negativamente se move para o orbital livre mais baixo (nível LUMO) do centro de transporte neutro vizinho.

condutividade,

Nome da fórmula estrutural

poliacetileno 10 4

polifenileno 10 3

polipirrol 10 3

politiofeno 10 3

polianilina 10 2

Arroz. 1.13. Fórmulas estruturais de polímeros condutores

A condutividade elétrica dos polímeros pertencentes ao primeiro grupo é determinada pela condutividade elétrica das cadeias poliméricas. Esses polímeros são polímeros com alta condutividade escura. As fórmulas estruturais e a condutividade específica de alguns deles apresentam-se no figo. 1.13.

-/a 0 /a

Arroz. 1.14. Gráfico de dependência de energia no vetor de onda de um elétron em uma cadeia linear monoatômica (a) e densidade de estados g (E)

para esta cadeia (b). Estados ocupados por elétrons em T = 0 estão sombreados

FLASHBACK HISTÓRICO
Polímeros com alta condutividade elétrica, propriedades pseudometálicas e semicondutoras foram obtidos já na década de 1960. Um exemplo clássico dessa classe de polímero é o poliacetileno. Devido às ligações químicas policonjugadas, sua condutividade elétrica pode ser alterada em uma ampla faixa, tanto durante a síntese (controlando o comprimento das cadeias poliméricas) quanto sob influências de campo (radiação térmica, eletromagnética, ionizante), levando a uma mudança correspondente no estrutura do polímero (rearranjo estrutural), ou para alterar o grau de sua polimerização. Polímeros condutores são amplamente utilizados para a fabricação de eletrodos para fontes químicas de corrente (polianilinas), controladores automáticos de temperatura e estabilizadores de tensão (poliacrilonitrilas), como eletrólitos de capacitores (sais de polipiroles), etc. A descoberta e o estudo do efeito da fotocondutividade em polinitrilos, poliftalocianinas, polifenilos e polifenilenovinilenos levaram à formação de fotodetectores baseados neles, e a alta “sensibilidade” das características espectrais dos polímeros à estrutura inicial e ao componente polimérico tornou possível para criar dispositivos com uma ampla faixa espectral. É verdade que, por uma questão de justiça, deve-se reconhecer que seu rendimento quântico de luminescência não excedeu alguns por cento. Na década de 1980, como resultado de estudos de polímeros condutores com alto grau de orientação de cadeias poliméricas em uma amostra a granel (o que permite utilizar as características de uma estrutura quase unidimensional de macromoléculas), poliméricos quasi-cristalinos materiais com alta anisotropia de características elétricas foram obtidos. A mobilidade dos portadores de carga neles atingiu 5.000-6.000 cm2/V.s.
A variedade de estruturas de sistemas poliméricos e a possibilidade de sua modificação forneceram aos pesquisadores a mais ampla escolha de características do material. Isso, é claro, os levou a tentar implementar dispositivos eletrônicos ativos baseados em materiais poliméricos. O trabalho foi realizado com base na teoria dos dispositivos semicondutores, nos princípios físicos e tecnológicos de sua formação, bastante desenvolvidos na época. Ao mesmo tempo, em sistemas poliméricos (moleculares), os estados de energia dos transportadores nos níveis desocupados mais altos e mais baixos dos orbitais moleculares atuaram como um análogo do nível de Fermi e o análogo do processo de dopagem, levando a uma mudança no posição do nível de Fermi, foi a operação de substituição química, causando uma mudança no potencial de ionização e afinidade eletrônica. Alterando a estrutura primária do polímero, pode-se definir os níveis de orbitais moleculares e, consequentemente, a largura de seu band gap. Continuando a consideração de analogias, destacamos que sistemas de polímeros lineares com ligações conjugadas podem ser usados ​​como interconexões.
Após uma breve digressão histórica, vamos considerar a "promoção" dos polímeros no mundo dos dispositivos eletrônicos modernos.

LEDS ORGÂNICOS COM ALTO BRILHO
Os diodos emissores de luz (LEDs) foram os primeiros dispositivos eletrônicos baseados em polímeros. Agora já se pode considerar que os desenvolvimentos atingiram praticamente o nível que permite passar para a produção industrial de LEDs orgânicos, e a tarefa de hoje é criar dispositivos com alta luminosidade. Numerosos estudos nesta área de várias maneiras levaram ao projeto ideal e opção tecnológica, que foi chamado de "diodo emissor de luz orgânico transparente" (Transparent Organic Light Emitting Diode - TOLED, Fig. 1). O princípio de seu funcionamento é extremamente simples e consiste na geração de radiação por moléculas de polímero sob a ação de um campo elétrico como resultado da recombinação de portadores na camada eletroluminescente. Estruturalmente, o LED deve ser projetado de modo que o eletrodo transparente, a camada de transferência de furos, a camada eletroluminescente e o guia de onda sejam tão transparentes quanto possível, e a camada de transferência de elétrons e o eletrodo negativo forneçam a máxima interferência e reflexão especular da radiação. Para aumentar a contribuição da radiação refletida em alguns projetos de LED, o eletrodo negativo recebe uma forma apropriada (por exemplo, um espelho parabólico côncavo) e são introduzidos elementos ópticos baseados em lentes de Fresnel formadas na camada plástica.
Atualmente, novos materiais orgânicos para LEDs estão sendo ativamente estudados. Assim, um polímero condutor com intensidade máxima de radiação na proporção de para e metamodificações de 2:1 foi obtido na empresa Fujitsu com base em um copolímero de para e metabutadieno. Um polímero condutor à base de tiofeno é usado como camada de injeção de furos, o que possibilitou reduzir a tensão de operação do LED em altas correntes. O eletrodo positivo feito de liga Mg-In é altamente estável e fornece um alto nível de injeção de elétrons. Um eletrodo negativo de óxido de índio e estanho é depositado em um substrato de vidro.
No futuro, a empresa planeja usar este LED orgânico com transistores de efeito de campo de polissilício para criar displays capazes de reproduzir uma imagem "ao vivo". Esses monitores terão alto brilho e amplos ângulos de visão e custarão significativamente menos do que os LCDs AM atuais.

SISTEMAS DE EXIBIÇÃO
Até recentemente, os LEDs baseados em compostos orgânicos eram usados ​​apenas em celulares e relógios, pois havia problemas tecnológicos significativos na manutenção das propriedades dos LEDs na formação de matrizes. O desenvolvimento de tecnologias de “baixa temperatura” removeu esse obstáculo. A intensidade do trabalho e a gama de tarefas a serem resolvidas na criação de indicadores e displays planos baseados em materiais orgânicos são evidenciados por pesquisas no campo da obtenção de LEDs de cores sintonizáveis ​​com estrutura vertical (Princeton University) e um display EL orgânico colorido para TVs de parede e sistemas multimídia móveis (empresa Idemitsu Kosan), além de dominar a produção piloto de LEDs de polímeros baseados na tecnologia da Cambridge Display Technology (Uniax) e a produção de LCDs em substratos plásticos (Ricon). A eficiência luminosa dos LEDs orgânicos modernos e dispositivos de exibição de informações baseados neles é de 10 a 60 lm/W, o brilho da emissão de luz atinge 50.000 cd/m2 e a vida útil é de 10.000 horas (com um brilho de 150 cd/m2) .
A principal conquista dos anos 90 foi o desenvolvimento de LEDs azuis orgânicos, que permitiram passar para a criação de telas coloridas baseadas em tríades RGB. Um dos principais problemas tecnológicos neste caso é o efeito danoso dos processos tecnológicos durante a formação de um conjunto de LEDs (os primeiros elementos do conjunto são quimicamente afetados quando o segundo elemento é formado, e os dois primeiros elementos são afetados pela processo de fabricação do terceiro elemento do conjunto). A presença de contaminação química ainda menor (especialmente com metais alcalinos) pode levar a uma degradação significativa das propriedades do material eletroluminescente e causar alterações significativas na intensidade da luminescência e nas características espectrais, além de encurtar a vida útil do dispositivo. A tecnologia de mascaramento para proteger as camadas na produção sequencial de elementos da tríade leva inevitavelmente a uma limitação na resolução da tela.
Este problema foi resolvido com sucesso mudando para uma tecnologia sem máscara para fabricar uma estrutura tridimensional em vez de uma estrutura plana. De acordo com essa tecnologia, os elementos da tríade são feitos na forma de pirâmides de três ou quatro lados, formadas por prensagem sobre um substrato plástico. Em uma determinada face de todas as pirâmides da matriz, material orgânico é depositado por deposição direcional de vapor, proporcionando radiação de uma cor. O substrato é então girado no ângulo apropriado (120° ou 90°) e o material da próxima cor de brilho é depositado. Na quarta face, é formada uma camada de uma das cores de brilho reduzido, que permite ampliar a gama de cores reproduzida pelo display, além de estabilizar o balanço de branco durante a operação. Esse design fornece um aumento na resolução em quase três vezes. Uma camada de polímero com pirâmides e orifícios de contato é depositada no topo de uma matriz ativa endereçando um circuito de transistor de efeito de campo (TFT) de filme fino fabricado em conjunto com as saliências em um substrato de vidro. Todos os componentes da rota tecnológica já foram trabalhados, e os desenvolvedores esperam produzir displays bastante baratos com alto desempenho.
De interesse indiscutível são os desenvolvimentos de displays orgânicos ultrafinos. O Massachusetts Institute of Technology desenvolveu uma tecnologia para produzir displays em uma camada plástica de apenas 100 mícrons de espessura, que pode ser torcida em um rolo com raio de 5 mm sem alterar suas propriedades. A imagem é formada em uma camada de pasta eletroforética aplicada à grade de eletrodos em um substrato de polímero flexível. A pasta consiste em microcápsulas contendo micropartículas brancas (dióxido de titânio - componente padrão do branco convencional) e pretas (uma mistura de corantes orgânicos) suspensas em polietileno fundido. A casca das cápsulas passa por um tratamento especial para garantir sua transparência. O tamanho médio da cápsula é de cerca de 50 mícrons. Uma grade de eletrodos transparentes é aplicada sobre a camada de pasta. Quando uma voltagem de uma polaridade é aplicada, as partículas brancas carregadas negativamente se movem para o topo das cápsulas e bloqueiam as partículas pretas. Como resultado, a cápsula fica branca. Quando a polaridade é invertida, as partículas brancas se movem para o fundo da cápsula e sua cor se torna preta. A resolução de tal exibição determina o espaçamento da grade dos eletrodos, e já para as primeiras amostras era comparável aos valores padrão para impressoras a laser. O consumo de energia de um display com diagonal de tela de 30 cm é de 12 mW, a duração da reprodução da informação quando a tensão é removida não é limitada (até o novo endereçamento). A imagem pode ser alterada mais de 107 vezes sem degradação do desempenho. Com base em tal construção, é possível criar “papel eletrônico”.
A Xerox anunciou a preparação de copiadoras baseadas em "papel eletrônico" - telas ultrafinas feitas com a tecnologia Gyricon, que envolve o uso de cavidades de óleo com esferas de plástico. Quando a tensão é aplicada, as esferas são orientadas em relação à superfície com o lado preto ou branco. Duas pilhas AA são suficientes para reproduzir a imagem. É permitida a correção e atualização de informações. A única desvantagem dos monitores é a necessidade de proteção contra interferências elétricas, principalmente da eletricidade estática. O "papel eletrônico", assim como o papel comum, é leve, flexível, fácil de ler de qualquer ângulo de visão. Além disso, possui novas propriedades como a capacidade de atualizar as informações vários milhares de vezes e usar um ponteiro eletrônico. Segundo especialistas da Xerox, o preço desse papel não ultrapassará 25 centavos por folha A4.

TRANSISTORES DE FILME FINO ORGÂNICO
Na fabricação de displays, a formação conjunta de TFTs por tecnologia tradicional e LEDs orgânicos é difícil devido aos processos de alta temperatura que causam degradação das propriedades dos materiais orgânicos. TFTs baseados em materiais orgânicos podem ser fabricados em temperaturas mais baixas e, ao mesmo tempo, substratos plásticos baratos podem ser usados ​​em vez de vidros caros, o que reduzirá significativamente o custo de todo o produto. O desenvolvimento da tecnologia TFT orgânica abre grandes oportunidades para a criação de telas ultraleves e ultraplanas com alta flexibilidade e resistência. A resolução das questões tecnológicas de obtenção de TFTs baseados em materiais orgânicos permitirá a fabricação de todos os elementos de exibição utilizando processos tecnológicos semelhantes, o que reduzirá os custos de produção e diminuirá a heterogeneidade dos equipamentos utilizados. De acordo com suas características, os TFTs orgânicos modernos não são inferiores aos padrões em filmes de silício amorfo. A estrutura típica do TPT orgânico é mostrada na Fig.2.
Um protótipo de TFT em pentaceno com um comprimento e largura de porta de 5 e 500 µm, respectivamente, e uma espessura dielétrica de porta de 140 nm teve uma tensão de limiar de 10 V e uma mobilidade de desvio de saturação de 1,7 cm2/V.s (um resultado recorde para transistores). Para reduzir a corrente de fuga entre os TFTs individuais, é utilizada uma topologia específica de Corbino, na qual o eletrodo fonte forma um anel fechado ao redor da região ativa do TFT, no centro do qual está localizado o eletrodo dreno. Com este design, o portão controla toda a corrente que flui do dreno para a fonte, o que fornece uma relação de corrente liga-desliga de ~108, bem como baixas correntes de fuga (a corrente de estado desligado está próxima do nível de ruído ).
Assim, pode-se afirmar que o problema tecnológico de formar dispositivos de exibição de informações completamente a partir de materiais orgânicos já foi resolvido hoje.

OPTOELETRÔNICA E TECNOLOGIA LASER
Os avanços na criação de LEDs orgânicos e sistemas de exibição de informações também estimulam o desenvolvimento de dispositivos com excitação elétrica baseados em polímeros orgânicos, um dos materiais mais promissores para a fabricação de novos tipos de circuitos integrados optoeletrônicos. As principais vantagens de tais CIs são seu baixo custo e tecnologia bastante simples, adequada para dominar a produção em massa. A pesquisa nesta área é realizada por muitas empresas nos EUA, Alemanha, Áustria e Itália. E hoje, as fibras de polímeros industriais já são usadas em circuitos optoeletrônicos híbridos padrão.
Mais de uma dúzia de polímeros com propriedades semicondutoras adequadas para geração de laser em toda a faixa visível foram estudados. De particular interesse para os desenvolvedores são os polímeros conjugados com cadeias laterais, uma vez que são as cadeias laterais que determinam a largura da banda de energia, ou seja, comprimento de onda da radiação. Devido à alta extinção da radiação gerada (filmes com espessura de apenas 0,1 μm absorvem 90% da radiação), a fraca dependência da eficiência quântica da fotoluminescência na quantidade de polímero ativo no ressonador e a grande mudança de energia entre os espectros de absorção e emissão (o que facilita a inversão de população), polímeros conjugados mesmo em pequenas espessuras, são adequados para a formação de um meio laser ativo. A alta solubilidade de polímeros conjugados com cadeias laterais em solventes orgânicos comuns simplifica muito a tecnologia de deposição e formação das estruturas topológicas de filme em camadas necessárias, incluindo os métodos tradicionais de fotolitografia bem desenvolvidos em microeletrônica.
Um dos problemas mais sérios na fabricação de dispositivos com excitação elétrica em filmes poliméricos é a alta densidade da corrente limite de geração (~1 kAChcm2). Isso é resolvido introduzindo um feedback distribuído e um refletor de Bragg distribuído (DRB) para aumentar o fator de qualidade do ressonador. ROB desempenha a função de um espelho ressonador. É formado por camadas alternadas de polímeros de várias espessuras com valores baixos e altos do índice de refração. Como o comprimento do ressonador varia de acordo com o comprimento de onda da radiação, um ROB com estrutura semelhante pode suportar a geração multimodo.
Um exemplo do uso bem-sucedido de polímeros na tecnologia a laser é o primeiro laser de material orgânico eletricamente excitado da Lucent Technologies, adequado para produção industrial. É feito em cristais de tetraceno, cujas moléculas contêm quatro anéis de benzeno. A estrutura do campo (um canal de 25 µm de largura e 200–400 µm de comprimento) foi formada em camadas de tetraceno de 1–10 µm de espessura, obtidas por deposição de vapor sobre um substrato dielétrico em um fluxo de gás inerte. Uma camada de óxido de alumínio com espessura de 0,15 μm foi usada como dielétrico e os eletrodos de controle foram feitos de óxido de zinco dopado com alumínio. A estrutura é um guia de ondas multimodo planar com uma perda interna total de ~100 cm-2. O ressonador laser foi formado pela clivagem de um cristal tetraceno com a formação de facetas com coeficiente de reflexão de ~8%. Em uma alta densidade da corrente de injeção no ressonador, foi observada a canalização da radiação no comprimento de onda de 575,7 nm com amplificação durante a operação no modo multimodo. À temperatura ambiente, o laser operou em modo pulsado, e a 200 K, em modo de onda contínua. Com uma diminuição nas perdas de reflexão devido à introdução de feedback distribuído e ROB, a operação em modo contínuo e à temperatura ambiente é possível. A vantagem do laser é a possibilidade de sintonia de frequência, já que o espectro de emissão do tetraceno é bastante amplo.
Os lasers baseados em materiais orgânicos são muito mais baratos que os semicondutores, e uma ampla variedade de materiais permite cobrir uma faixa espectral significativa. É seguro prever que esses lasers encontrarão ampla aplicação em memória óptica e impressoras a laser em um futuro próximo.

DESENVOLVIMENTO INDUSTRIAL DE TECNOLOGIA DE POLÍMEROS
Apesar de toda a heterogeneidade dos materiais poliméricos utilizados, a maioria das operações para a criação de dispositivos e elementos estruturais são semelhantes em estrutura e podem ser amplamente unificadas. Essas operações, em primeiro lugar, incluem os processos de deposição (deposição) de camadas de polímero e os processos de conformação. Já foi indicado acima que para a maioria dos materiais de filme fino e filme espesso, processos bem estabelecidos de deposição de vapor, serigrafia e litografia (para composições solúveis) podem ser usados.
Uma abordagem revolucionária para o desenvolvimento de tecnologia para a produção em massa de dispositivos eletrônicos baseados em filmes orgânicos foi demonstrada pela empresa californiana Rolltronics. De acordo com sua tecnologia, chamada roll-to-roll (de bobina a bobina), uma grande bobina com plástico flexível é utilizada no ciclo de produção do transportador, que desempenha o papel de substrato do futuro dispositivo (Fig. 3). O comprimento da fita plástica é superior a 300 m e a largura pode exceder 1 m. A aplicação sequencial e a formação de camadas são realizadas em câmaras de processamento especializadas que garantem a implementação de todo o ciclo tecnológico. Os desenvolvedores acreditam que serão capazes de formar estruturas em temperaturas não superiores a 100–125°C, o que permitirá o uso da maioria dos materiais poliméricos modernos.
Juntamente com a Iowa Thin Film Technologies, a Rolltronics planejava comissionar uma linha de produção rolo a rolo até o final de 2001. O principal elemento de projetos futuros, um transistor de filme fino, foi escolhido como um "teste de caneta". Além dos TFTs, a empresa pretende fabricar circuitos de memória, dispositivos de alimentação e elementos de exibição, bem como todos os componentes de livros eletrônicos e papel eletrônico. A tecnologia roll-to-roll é adequada para a formação de telas planas, iluminação LED e painéis informativos, células solares, dispositivos optoeletrônicos e lasers semicondutores. Os representantes da empresa chamam essa tecnologia de avanço para o futuro, enfatizando sua eficiência e produtividade extremamente altas, o que permitirá a transição para a produção em massa de novos tipos de dispositivos eletrônicos e reduzirá drasticamente seu custo.

PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTO
Os princípios físicos utilizados e a tecnologia de "eletrônica de polímeros" são o primeiro passo natural para a eletrônica molecular. Isso se explica pelo fato de que, ao contrário da eletrônica clássica de estado sólido, onde são consideradas as propriedades de um corpo cristalino e se formam estruturas ativas em seu volume, no caso de utilização de polímeros, é necessário levar em consideração a propriedades das moléculas. Na transição para a verdadeira eletrônica molecular, quando moléculas individuais já atuam como um elemento ativo, a principal tarefa é escolher um método tecnológico para impacto pontual (local) em uma molécula e alterar sua estrutura química primária. Naturalmente, se uma ferramenta tecnológica não é capaz de modificar localmente o sistema molecular inicial em nível atômico, métodos de sua autoconstrução e autorregulação devem ser desenvolvidos, como acontece na natureza no ciclo de vida de vírus e bacteriófagos. Na primeira aproximação, incluem-se o método de Langmuir-Blodgett para obtenção de filmes em monocamada ou o método de automontagem de monocamadas de oligômeros sobre um substrato metálico (Self-assembled monolayers - SAM). Esses métodos podem ser condicionalmente, por analogia com a tecnologia de dispositivos de estado sólido, atribuídos à epitaxia de "camada única".
Uma das opções para a transição para a eletrônica molecular é a tecnologia “híbrida”, quando são utilizados “elementos moleculares” utilizando métodos da eletrônica clássica. Um exemplo dessa tecnologia combinada é o uso construtivo de nanotubos de carbono proposto pela IBM para criar transistores 500 vezes menores que os modernos dispositivos de silício. Além disso, na ausência de oxigênio, eles são capazes de suportar aquecimento de até 1000°C.
Meios modernos de modificação e controle de estruturas atômicas - microscopia de força atômica (AFM) e microscopia de tunelamento de varredura (STM) - podem atender aos requisitos tecnológicos em nível atômico. Mas, infelizmente, tanto o AFM quanto o STM são métodos sequenciais com desempenho não muito alto e, em um futuro próximo, serão usados ​​apenas como ferramenta de laboratório. No entanto, foi com a ajuda do AFM e do STM que os dispositivos de eletrônica molecular foram criados com sucesso. Esses métodos também permitem resolver o problema mais difícil de montar dispositivos eletrônicos moleculares - a formação de contatos. Modelos teóricos dos métodos AFM e STM de formação e medição de estruturas ainda estão sendo desenvolvidos, e muitas outras descobertas podem ser esperadas aqui. No entanto, a implementação de métodos de eletrônica molecular adequados ao desenvolvimento industrial é uma questão do futuro.

CONCLUSÃO
Todos os itens acima mostram que a eletrônica está à beira de uma revolução do "polímero". Nos próximos três a cinco anos, será possível "imprimir" eletrônicos como papel de parede. Esses "papéis de parede" de plástico serão usados ​​para criar telas e displays coloridos, baterias solares e painéis de iluminação LED brancos, papel eletrônico e muito mais. Novos produtos eletrônicos baseados em materiais poliméricos, que aparecerão na próxima década, revolucionarão as condições de operação dos equipamentos eletrônicos, ampliarão as possibilidades da tecnologia da informação e criarão os pré-requisitos para a transição para novos princípios de organização, educação, vida e entretenimento . A tarefa da eletrônica russa não é "perder" esse avanço e se envolver no desenvolvimento da eletrônica de polímeros de maneira digna.

Literatura
Laser Focus World, 2001, v.37, no.3, p. 41-44.
Semiconductor International, 2000, v.23, nº 8, p.46.
Semiconductor International, 2001, v.24, no.6, p.50.
Semiconductor International, 2001, v.24, nº 8, p.40.
Solid State Technology, 2000, v.43, nº 3, p. 63-77.
Photonics Spectra 2000, v.34, no.5, p.44.
Journal of American Chemical Society, 2000, v.122, nº 2, p. 339-347.
Tecnologia eletrônica estrangeira, 2000, número 1, p. 66-72.

Artigo para o concurso "bio/mol/texto": Os cientistas há muito sonham em transformar animais e plantas em ciborgues controlados por sinais elétricos, e estão tentando fazê-lo de várias maneiras. Assim, há cerca de 10 anos, surgiu um novo campo científico - a bioeletrônica orgânica - em que os polímeros eletricamente condutores atuam como intermediários entre os seres vivos e os computadores. Controle remoto da cor da folha de rosa, neurônio artificial e tratamento de pontos de dor - os primeiros resultados desta tríplice aliança já são impressionantes.

Patrocinador de nomeação - .

O patrocinador geral da competição, segundo nosso crowdfunding, foi um empresário Konstantin Sinyushin, pelo qual ele tem um enorme respeito humano!

O Audience Choice Award foi patrocinado pela Atlas.

O patrocinador da publicação deste artigo é Andrey Alexandrovich Kiselev.

Todos os organismos vivos são um pouco robôs ou computadores. Só que em vez da eletricidade usual - elétrons correndo pelos fios para a tomada e vice-versa - somos controlados por impulsos nervosos, correntes de moléculas carregadas chamadas íons. E os “botões” em circuitos elétricos ativos são pressionados não pelos dedos, mas por substâncias especiais - neurotransmissores. Quando sua concentração ultrapassa um certo limite, uma cadeia de reações bioquímicas começa nas membranas celulares dos neurônios, que termina com a excitação de um impulso nervoso.

Agora os cientistas estão tentando “casar” os computadores dentro de nós com microcircuitos de silício familiares: as interfaces cérebro-computador já sabem reconhecer a atividade das células nervosas e convertê-las em comandos significativos para a eletrônica. Então, usando o poder do pensamento, você pode jogar jogos simples, mover um braço protético robótico ou até mesmo controlar um quadrocopter. No entanto, todos esses dispositivos ainda sofrem com erros e imprecisões - não é fácil cruzar correntes eletrônicas e iônicas em um dispositivo.

"Tradutores" da linguagem viva para a linguagem dos microcircuitos podem ser polímeros eletricamente condutores que conduzem os dois tipos de corrente simultaneamente (Fig. 1). Descobertos na década de 70 do século passado, esses materiais foram ativamente estudados por muitos cientistas: foram usados ​​para fazer transistores, células solares, diodos orgânicos emissores de luz (OLED) e outros dispositivos eletrônicos orgânicos.

Figura 1. Representação esquemática de orgânicos ( na direita) e inorgânicos ( deixou) semicondutores em contato com um eletrólito. Os tamanhos dos íons carregados são muito maiores do que as distâncias entre os átomos em semicondutores inorgânicos e, portanto, a condução iônica nesses materiais é impossível. Ao mesmo tempo, os tamanhos característicos dos vazios entre as cadeias de macromoléculas de polímeros conjugados são comparáveis ​​aos tamanhos dos íons hidratados e, portanto, a condutividade iônica é possível nesta classe de compostos.

Agora, as vantagens dos polímeros eletricamente condutores - flexibilidade, simplicidade e variabilidade de síntese, bem como biocompatibilidade e condutividade iônica - estão tentando usar a bioeletrônica orgânica - um campo muito jovem da ciência dos materiais, que já tem algo para se gabar.

Diagnóstico por dentro

A operação de muitas interfaces cérebro-computador é baseada na gravação de EEG: uma tampa com eletrodos é fixada na cabeça de uma pessoa, na qual, sob a influência de correntes iônicas que fluem no cérebro, surgem suas próprias correntes eletrônicas. Em um artigo de 2013, cientistas da França propuseram o uso de transistores eletroquímicos orgânicos para o mesmo propósito.

Os transistores semicondutores comuns são os principais componentes de todos os circuitos lógicos elétricos, uma espécie de botões eletrônicos com três contatos. A corrente relativamente grande que flui neles de um pino para o outro pode ser controlada por um pequeno sinal (muito menos corrente ou tensão no caso de um FET) aplicado ao terceiro pino. Ao montar vários transistores em um circuito, é possível amplificar, atenuar e transformar quaisquer sinais elétricos ou, em outras palavras, processar informações.

Os transistores orgânicos funcionam de forma semelhante, com os quais os pesquisadores registraram atividade epiléptica em ratos de laboratório vivos. O terceiro pino de controle neste transistor era feito de um polímero condutor e injetado diretamente no cérebro dos roedores. O polímero mudou sua estrutura (e, como resultado, sua condutividade) juntamente com flutuações na atividade elétrica das células nervosas e, como resultado, mesmo pequenas mudanças características nas correntes iônicas no cérebro do “ciborgue” levaram a mudanças perceptíveis no cérebro. corrente fluindo do contato de entrada do transistor para a saída (Fig. 2). ).

Figura 2. na Vivo registro da atividade elétrica do cérebro usando transistores orgânicos. rosa a cor mostra a dependência tomada com a ajuda de um transistor eletroquímico orgânico, azul- eletrodo de plástico, Preto- eletrodo metálico. Observe que os dois últimos eletrodos registram um sinal elétrico por saltos de potencial e o transistor - por saltos de corrente em um canal eletricamente condutor.

Em seu experimento, os franceses mostraram que os transistores orgânicos permitem registrar a atividade elétrica do cérebro com muito mais precisão do que seus equivalentes inorgânicos modernos. Nos experimentos de outros grupos científicos, os transistores orgânicos são usados ​​com sucesso para fazer um ECG ou, por exemplo, determinar a concentração de ácido lático, glicose e outras biomoléculas.

neurônios de plástico

Hoje, as doenças neurológicas e psiquiátricas são tratadas principalmente com a ajuda de medicamentos, mas pode ser muito difícil escolher sua dosagem, entregar o medicamento precisamente a determinadas células e, ao mesmo tempo, levar em consideração seus efeitos colaterais em vários processos no corpo . Uma grande equipe de cientistas suecos de vários institutos propôs resolver esses problemas usando os mesmos polímeros eletricamente condutores, ou melhor, usando outro dispositivo bioeletrônico orgânico - uma bomba iônica eletrônica orgânica capaz de bombear íons de um meio para outro.

Em seu trabalho, os pesquisadores estudaram ratos de laboratório, nos quais eles primeiro causaram dor neuropática (sua causa não é um estímulo externo, mas a interrupção do trabalho dos próprios neurônios), e depois a trataram com a ajuda de uma injeção pontual de um neurotransmissor. GABA (ácido gama-aminobutírico), o que reduz a irritação do sistema nervoso central. Uma bomba orgânica em miniatura (cerca de 12 cm de comprimento e 6 mm de diâmetro) foi injetada na medula espinhal de ratos, e seu reservatório foi preenchido com GABA (Fig. 3). Com a aplicação de uma voltagem elétrica externa, as moléculas de GABA começaram a sair através de quatro canais de polímeros condutores de íons para o espaço intercelular (vídeo 1).

Figura 3. Bomba eletroquímica orgânica implantável. A - uma fotografia do dispositivo, B - uma representação esquemática do dispositivo, à esquerda - um contato elétrico, no centro - um reservatório com GABA, à direita - canais excretores. O comprimento total do dispositivo é de 120 mm, o diâmetro do tanque é de 6 mm. C - quatro saídas eletroquímicas orgânicas estão localizadas nos pontos onde os ramos do nervo ciático entram na medula espinhal.

Vídeo 1. Bomba de íons organoeletrônicos

Como resultado, a dor desapareceu em ratos (isso foi verificado usando um teste tátil: fios elásticos de várias rigidez foram trazidos para as patas de ratos e foi monitorado a partir de qual pressão o animal retiraria a pata), e nenhum efeito colateral foi observado observado. Com todos os outros métodos de tratamento da dor neuropática com GABA, a droga é injetada na medula espinhal em alta dose, que é distribuída por todo o sistema nervoso e, além de suprimir a dor, leva a distúrbios de marcha, letargia e outros efeitos colaterais .

Paralelamente a esse trabalho, o mesmo grupo de pesquisadores fez o primeiro neurônio artificial baseado em polímeros. Nele, a bomba de íons foi combinada com biossensores sensíveis a ácido glutâmico(o neurotransmissor excitatório mais comum) e acetilcolina(um neurotransmissor que transmite um sinal dos neurônios para o tecido muscular). Por exemplo, em um dos experimentos, um neurônio “plástico” monitorava o nível de glutamato em uma placa de Petri e, quando um determinado limiar era excedido, uma corrente era excitada nele, o que abria o reservatório de uma bomba de íons que liberava acetilcolina no ambiente.

O trabalho de um neurônio artificial é muito semelhante ao funcionamento dos reais: um impulso nervoso é excitado em um deles e percorre toda a célula até o local de contato com outro neurônio, ali é liberado ácido glutâmico, que, por assim dizer, , pressiona um botão e excita o próximo neurônio (Fig. 4) . Assim, ao longo da cadeia de neurônios, o impulso chega à célula muscular, que já é excitada não pelo ácido glutâmico, mas pela acetilcolina. O neurônio plástico criado pelos suecos pode muito bem repetir essas ações e transmitir sinais para outras células. No experimento, tratava-se de células de neuroblastoma SH-SY5Y, cuja ativação foi monitorada por aumentos característicos na concentração de íons após a ligação de receptores de acetilcolina.

Figura 4. O esquema de conversão de um sinal químico em elétrico e de volta em um neurônio de polímero artificial é idêntico ao esquema de operação de um neurônio vivo. Biossensor ( representado em verde) responde a um aumento na concentração de um neurotransmissor ( pontos laranja), que gera um fluxo de elétrons que excita uma bomba eletroquímica orgânica ( representado em azul) liberando outro neurotransmissor ( pontos azuis).

Das rosas eletrônicas à energia mais verde

A pesquisa com camundongos, ratos e outros animais de laboratório deve ser coordenada com comissões de ética e, portanto, os experimentos mais ousados ​​em bioeletrônica orgânica são mais fáceis de colocar em plantas. Assim, no final de 2015, o mesmo grupo sueco fez a primeira rosa ciborgue. É verdade que ela ainda não sabe fazer nada espetacular - nem abrir com o toque de um botão no painel de controle, nem mudar de cor dependendo da umidade do ambiente, nem capturar o mundo, mas os pesquisadores ainda conseguiram para fazer algo interessante.

No primeiro experimento, uma rosa cortada foi colocada em água com um polímero eletricamente condutor dissolvido, que subiu pelo caule e formou um canal condutor na rosa. Em seguida, os cientistas trouxeram contatos elétricos para as extremidades do canal e inseriram um eletrodo de controle na alça - um fio de ouro revestido com um polímero condutor. Então, uma espécie de transistor orgânico estaria dentro da rosa. Ao mesmo tempo, vários eletrodos de controle podem ser conectados a um canal de uma só vez e um circuito lógico simples pode ser feito, através do qual a corrente flui apenas quando certas tensões de controle são aplicadas a ambos os fios de ouro.

No segundo experimento, uma solução aquosa de outro polímero eletricamente condutor, que pode mudar de cor quando uma voltagem externa é aplicada, foi bombeada em folhas de rosa usando uma seringa. Os eletrodos foram trazidos para a folha, a corrente foi ligada e - voila: as veias da folha adquiriram um tom verde-azulado. Foi o polímero injetado neles que passou de incolor para azul (vídeo 2). Ao mesmo tempo, quando a tensão foi removida, a folha voltou a ter uma cor verde saudável.

Assim, os cientistas mostraram que, com a ajuda de técnicas simples dentro das plantas, você pode criar circuitos eletrônicos simples. No futuro, isso nos permitirá controlar sua fisiologia e, por exemplo, obter maiores rendimentos sem modificações genéticas, ou até mesmo fazer pequenas usinas usando a energia da fotossíntese. Claro, parece muito caro por enquanto, mas algum dia as tecnologias de bioeletrônica orgânica tornarão possível o controle ponto a ponto de cada planta, e não de toda a população de uma só vez.

Futuro bioeletrônico

Os primeiros experimentos mostraram que dispositivos bioeletrônicos orgânicos são bastante capazes de receber, transmitir e processar sinais bioelétricos. Qual é o próximo? Agora eles aprenderam a fazer materiais poliméricos biocompatíveis e biodegradáveis ​​e, portanto, qualquer organismo vivo pode literalmente ser recheado com chips baseados neles. Tudo o que resta é ensiná-los a transmitir informações sem fio, e dentro do corpo humano será possível criar uma rede local de sensores que monitoram constantemente vários indicadores médicos, como níveis de glicose, frequência cardíaca e atividade elétrica de neurônios selecionados, e em seguida, transmitem seus sinais para robôs médicos implantados com base nos mesmos sensores iônicos, bombas para que eles comecem a lidar com o problema.

Se você não gosta da ideia de se tornar um cyborg, pode simplesmente engolir uma pílula com um microcircuito flexível embutido - por acidez, temperatura e concentração de várias substâncias, ele calculará exatamente onde liberar o remédio e, tendo feito uma boa ação, simplesmente será digerido dentro de nós como um pedaço de açúcar.

Introdução

Em 1965, no início da era do computador, Gordon Moore, diretor de pesquisa da Fairchild Semiconductors, previu que o número de transistores em um chip dobraria a cada ano. Já se passaram 35 anos e a Lei de Moore ainda está em vigor. É verdade que, com o tempo, a prática da produção microeletrônica fez uma pequena alteração: hoje acredita-se que a duplicação do número de transistores ocorra a cada 18 meses. Essa desaceleração do crescimento é causada pela complexidade da arquitetura do microchip. E, no entanto, para a tecnologia de silício, a previsão de Moore não pode durar para sempre.

Mas há outra limitação fundamental na "lei de Moore". O aumento na densidade dos elementos no chip é alcançado reduzindo seu tamanho. Ainda hoje, a distância entre os elementos do processador pode ser de 0,13x10 -6 metros (a chamada tecnologia de 0,13 mícron). Quando os tamanhos dos transistores e a distância entre eles atingirem várias dezenas de nanômetros, entrarão em vigor os chamados efeitos de tamanho - fenômenos físicos que atrapalham completamente o funcionamento dos dispositivos tradicionais de silício. Além disso, com a diminuição da espessura do dielétrico nos transistores de efeito de campo, a probabilidade de os elétrons passarem por ele aumenta, o que também impede o funcionamento normal dos dispositivos.

Outra maneira de melhorar o desempenho é usar outros semicondutores em vez de silício, como o arseneto de gálio (GaAs). Devido à maior mobilidade dos elétrons neste material, é possível aumentar a velocidade dos dispositivos em uma ordem de grandeza. No entanto, as tecnologias baseadas em arseneto de gálio são muito mais complicadas do que as de silício. Portanto, embora recursos consideráveis ​​tenham sido investidos no estudo de GaAs nas últimas duas décadas, os circuitos integrados baseados nele são usados ​​principalmente no campo militar. Aqui, seu alto custo é compensado pelo baixo consumo de energia, alta velocidade e resistência à radiação. No entanto, o desenvolvimento de dispositivos baseados em GaAs continua sujeito a limitações devido aos princípios físicos fundamentais e à tecnologia de fabricação.

É por isso que hoje especialistas em vários campos da ciência e tecnologia estão procurando formas alternativas de desenvolvimento da microeletrônica. Uma maneira de resolver o problema é oferecida pela eletrônica molecular.

ELETRÔNICA MOLECULAR - TECNOLOGIA DO FUTURO.

A possibilidade de usar materiais moleculares e moléculas individuais como elementos ativos da eletrônica há muito atrai a atenção de pesquisadores em vários campos da ciência. No entanto, apenas recentemente, quando os limites das possibilidades potenciais da tecnologia de semicondutores tornaram-se praticamente tangíveis, o interesse na ideologia molecular de construir os elementos básicos da eletrônica passou para o mainstream da pesquisa ativa e direcionada, que hoje se tornou um dos principais as mais importantes e promissoras áreas científicas e técnicas da eletrônica.

Outras perspectivas para o desenvolvimento da eletrônica estão associadas à criação de dispositivos que utilizam fenômenos quânticos, em que a conta já vai para unidades de elétrons. Recentemente, estudos teóricos e experimentais de estruturas de baixa dimensão criadas artificialmente têm sido amplamente realizados; camadas quânticas, fios e pontos. Espera-se que os fenômenos quânticos específicos observados nesses sistemas possam formar a base para a criação de um tipo fundamentalmente novo de dispositivos eletrônicos.

A transição para o nível quântico é, sem dúvida, uma nova e importante etapa no desenvolvimento da eletrônica, pois permite que você trabalhe com elétrons quase únicos e crie elementos de memória nos quais um elétron pode corresponder a um bit de informação. No entanto, a criação de estruturas quânticas artificiais é uma tarefa tecnológica muito difícil. Recentemente, tornou-se óbvio que a implementação de tais estruturas está associada a grandes dificuldades tecnológicas, mesmo na criação de elementos únicos, e surgem dificuldades insuperáveis ​​​​na criação de chips com vários milhões de elementos. A saída para essa situação, segundo muitos pesquisadores, é a transição para uma nova tecnologia - a eletrônica molecular.

A possibilidade fundamental de usar moléculas individuais como elementos ativos da microeletrônica foi expressa por Feynman em 1957. Mais tarde, ele mostrou que as leis da mecânica quântica não são um obstáculo para a criação de dispositivos eletrônicos de tamanho atômico, desde que a densidade de registro de informações não exceda 1 bit/átomo. No entanto, somente com o advento dos trabalhos de Carter e Aviram começou a se falar em eletrônica molecular como um novo campo interdisciplinar, incluindo física, química, microeletrônica e ciência da computação, e voltado para a transferência da microeletrônica para uma nova base de elementos - dispositivos eletrônicos moleculares.

Isso definitivamente sugere uma analogia com a história do desenvolvimento dos dispositivos de tempo de precisão, que passaram de cronômetros mecânicos usando vários tipos de pêndulos, passando por relógios de quartzo baseados em ressonâncias de estado sólido e, finalmente, hoje os relógios mais precisos usam efeitos intramoleculares em amônia moléculas, etc. A eletrônica está se desenvolvendo de maneira semelhante, tendo passado de relés eletromagnéticos mecânicos e tubos de vácuo para transistores de estado sólido e microcircuitos, e hoje chegou ao limiar além do qual está o campo da tecnologia molecular.

Não é por acaso que a atenção principal se concentrou nos sistemas moleculares. Primeiro, uma molécula é uma estrutura quântica ideal que consiste em átomos individuais, o movimento de elétrons ao longo do qual é determinado por leis químicas quânticas e é o limite natural da miniaturização. Outra característica não menos importante da tecnologia molecular é que a criação de tais estruturas quânticas é muito facilitada pelo fato de que sua criação é baseada no princípio da automontagem. A capacidade de átomos e moléculas sob certas condições de se combinarem espontaneamente em formações moleculares predeterminadas é um meio de organizar estruturas quânticas microscópicas; operar com moléculas predetermina o caminho de sua criação. É a síntese de um sistema molecular que é o primeiro ato de automontagem dos dispositivos correspondentes. Isso alcança a identidade dos conjuntos montados e, consequentemente, a identidade das dimensões dos elementos e, assim, a confiabilidade e eficiência dos processos quânticos e o funcionamento dos dispositivos moleculares.

Desde o início do desenvolvimento da abordagem molecular em microeletrônica, a questão dos princípios físicos do funcionamento dos dispositivos eletrônicos moleculares permaneceu em aberto. Portanto, os principais esforços foram focados em sua busca, com a principal atenção sendo dada a moléculas únicas ou conjuntos moleculares. Apesar de um grande número de trabalhos nessa direção, a implementação prática de dispositivos moleculares está longe de ser concluída. Uma das razões para isso é que, especialmente no período inicial da formação da eletrônica molecular, uma forte ênfase foi colocada no trabalho de moléculas individuais, na busca e criação de moléculas biestáveis ​​que mimetizem propriedades de gatilho. Claro, essa abordagem é muito atraente em termos de miniaturização, mas deixa poucas chances de que dispositivos eletrônicos moleculares possam ser criados em um futuro próximo.

O desenvolvimento de uma nova abordagem em microeletrônica requer a solução de uma série de problemas em três áreas principais: o desenvolvimento de princípios físicos para o funcionamento de dispositivos eletrônicos; síntese de novas moléculas capazes de armazenar, transmitir e transformar informações; desenvolvimento de métodos para organizar moléculas em um conjunto supramolecular ou em um dispositivo eletrônico molecular.

Atualmente, está em andamento uma intensa busca pelos conceitos de desenvolvimento da eletrônica molecular e os princípios físicos de funcionamento, e estão sendo desenvolvidos os fundamentos para a construção de elementos básicos. A eletrônica molecular está se tornando um novo campo interdisciplinar da ciência que combina física do estado sólido, física molecular, química orgânica e inorgânica e visa transferir dispositivos eletrônicos para uma nova base de elementos. Para resolver as tarefas estabelecidas e concentrar os esforços de pesquisadores que atuam em diversas áreas do conhecimento, centros de eletrônica molecular, laboratórios conjuntos estão sendo criados em todos os países industrializados, conferências e seminários internacionais estão sendo realizados.

Agora, e aparentemente, e em um futuro próximo, é difícil falar sobre a criação de dispositivos eletrônicos moleculares operando com base no funcionamento de moléculas únicas, mas podemos realmente falar sobre o uso de sistemas moleculares nos quais os efeitos intramoleculares têm uma manifestação macroscópica. Tais materiais podem ser chamados de "materiais inteligentes". A fase de criação de "materiais inteligentes", ou seja, o estágio da eletrônica molecular funcional, um período natural e necessário no desenvolvimento da eletrônica, é um estágio definitivo na transição da tecnologia de semicondutores para a molecular. Mas é possível que esse período seja mais longo do que pensamos agora. Parece mais realista, especialmente nos estágios iniciais do desenvolvimento da eletrônica molecular, usar as propriedades macroscópicas dos sistemas moleculares, que seriam determinadas por reorganizações estruturais que ocorrem no nível de conjuntos moleculares individuais. O princípio físico de funcionamento de tais dispositivos eletrônicos deve remover restrições dimensionais, pelo menos até o tamanho de grandes formações moleculares. Do ponto de vista da eletrônica e da possibilidade potencial de acoplamento de dispositivos moleculares com seus homólogos semicondutores, seria preferível lidar com sistemas moleculares que alteram sua condutividade eletrônica sob influências externas, principalmente sob a influência de um campo elétrico.

As idéias da eletrônica molecular não se reduzem a uma simples substituição de um transistor semicondutor por um molecular, embora esse problema específico também seja resolvido. O objetivo principal, no entanto, é criar sistemas moleculares complexos que implementem simultaneamente vários efeitos diferentes que realizam uma tarefa complexa. É natural, em primeiro lugar, incluir a tarefa de criar um elemento de memória universal como a parte mais importante de qualquer dispositivo de computação da informação entre as tarefas desse tipo. Parece muito óbvio que o potencial da eletrônica molecular será revelado em maior medida através da criação de redes neurais compostas por neurônios e sinapses eletroativas conectando-os. A criação por meio de eletrônica molecular de neurônios artificiais, vários tipos de sensores incluídos em uma única rede, abrirá caminho para a realização de todas as potencialidades inerentes à ideologia do neurocomputador, permitirá a criação de um tipo fundamentalmente novo de informação e sistemas de computação e chegar perto de resolver o problema da criação de inteligência artificial.

Bacterorodopsina: estrutura e funções.

A eletrônica molecular é definida como codificação (gravação), processamento e reconhecimento (leitura) de informações nos níveis molecular e macromolecular. A principal vantagem da aproximação molecular está na possibilidade de projeto molecular e produção de dispositivos "de baixo para cima", ou seja, átomo por átomo ou fragmento por fragmento, os parâmetros dos dispositivos são determinados por métodos de síntese orgânica e engenharia genética. Duas vantagens bem reconhecidas da eletrônica molecular são uma redução significativa no tamanho do dispositivo e nos atrasos de propagação da porta.

A bioeletrônica, que é um ramo da eletrônica molecular, explora a possibilidade de utilizar biopolímeros como módulos controlados por luz ou impulsos elétricos em sistemas computadorizados e ópticos. O principal requisito para prováveis ​​candidatos entre uma grande família de biopolímeros é que eles devem alterar reversivelmente sua estrutura em resposta a algum impacto físico e gerar pelo menos dois estados discretos que diferem em características físicas facilmente mensuráveis ​​(por exemplo, parâmetros espectrais).

A este respeito, as proteínas são de considerável interesse, cuja principal função está associada à transformação da energia luminosa em energia química em vários sistemas fotossintéticos. O candidato mais provável entre eles é uma bomba de prótons dependente de luz - bacteriorrodopsina (BR) de um microrganismo halofílico Halobacterium salinarum(anteriormente Halobacterium halobium), descoberto em 1971.

Bacteriorrodopsina, um gerador de transporte de prótons contendo retinal, é uma proteína transmembrana de 248 aminoácidos com peso molecular de 26 kDa, penetrando na membrana na forma de sete uma- espirais; Os terminais N e C da cadeia polipeptídica estão localizados em lados opostos da membrana citoplasmática: o terminal N está voltado para fora e o terminal C está voltado para dentro da célula (Fig. 1, 2).

Figura 1. Modelo BR nos elementos da estrutura secundária. Os aminoácidos foram isolados
envolvidos no transporte de prótons: resíduos de ácido aspártico em círculos,
resíduo de arginina ao quadrado. Com Lys-216 (K-216) é formada uma base de Schiff (SB).
A seta mostra a direção do transporte de prótons.

Cromóforo BR - aldimina retiniana protonada com uma O grupo -amino do resíduo Lys-216 está localizado na parte hidrofóbica da molécula. Após a absorção de um quantum de luz durante o fotociclo, a retina isomeriza de tudo-E a 13Z-forma. O microambiente proteico do cromóforo pode ser considerado como um receptor com especificidade de substrato para tudo-E /13Z-retinal, que catalisa esta isomerização à temperatura ambiente. Além disso, alguns aminoácidos são responsáveis ​​pela supressão de isomerizações que não sejam tudo-E /13Z, por exemplo de tudo-E- a 7Z-, 9Z-, 11Z-retiniano. O resto da cadeia polipeptídica fornece um canal de transporte de prótons ou protege o grupo interno fotocrômico das influências ambientais.

A topografia mútua dos elementos da estrutura secundária formada pela cadeia polipeptídica BR após a absorção de um quantum de luz pela molécula cromófora muda, resultando na formação de um canal para a transferência transmembrana de prótons do citoplasma para o ambiente externo. No entanto, o mecanismo molecular do transporte dependente de luz ainda é desconhecido.

Figura 2. Modelo esquemático da estrutura tridimensional (espacial) da BR Seven uma -hélices formam uma cavidade cromófora e um canal de transferência de prótons transmembrana.

BR está contido na membrana celular H. salinarum- arqueobactérias halofílicas que vivem e se reproduzem em marismas e lagos, onde a concentração de NaCl pode exceder 4 M, que é 6 vezes maior do que na água do mar (~ 0,6 M). Esta proteína única é em muitos aspectos semelhante à proteína visual rodopsina, embora suas funções fisiológicas sejam diferentes. Enquanto a rodopsina visual atua como o fotorreceptor primário que fornece visão no escuro para a maioria dos vertebrados, o papel fisiológico da BR é permitir que as halobactérias atuem como anaeróbios facultativos quando a pressão parcial de oxigênio no ambiente é baixa. A proteína funciona como uma bomba de prótons dependente da luz, o que garante a formação de um gradiente eletroquímico de prótons na superfície da membrana celular, que, por sua vez, serve para armazenar energia. O trabalho primário realizado pelo gradiente é a síntese de ATP através da fosforilação anaeróbica (fotossintética) e, neste caso, é um exemplo clássico da hipótese quimiosmótica de Mitchell de fosforilação oxidativa. Quando não há luz e a pressão parcial de oxigênio é alta, as bactérias revertem para a fosforilação oxidativa aeróbica.
Células H. salinarum também contêm duas chamadas rodopsinas sensoriais (SR I e SR II), que fornecem fototaxia positiva e negativa. Diferentes comprimentos de onda são lidos por CP I e CP II como moléculas detectoras, o que provoca uma cascata de sinais que controlam o motor flagelar da bactéria. Com a ajuda desse processo elementar de percepção da luz, os microrganismos se movem independentemente para a luz de uma composição espectral adequada. Além disso, as células possuem halorodopsina (GH), que é uma bomba de íons Cl - dependente de luz. Sua principal função é transportar íons cloreto para dentro da célula, que são constantemente perdidos pela bactéria, movendo-se no sentido de dentro para fora sob a ação do campo elétrico criado pelo BR. O mecanismo de ação do GR não é claro. Supõe-se que Cl - se liga ao nitrogênio quaternário carregado positivamente da base de Schiff protonada, e a isomerização do retinal a partir de tudo-E para a forma 13Z provoca o movimento deste nitrogênio com o íon Cl ligado a ele - da entrada para a saída Cl - - caminho condutor.

Fig.3. Uma seção da membrana roxa (vista superior).

BR está localizado em áreas de membranas celulares H. salinarum na forma de membranas roxas (PM), formando cristais bidimensionais com uma rede hexagonal. Essas áreas contêm a própria proteína, alguns lipídios, carotenóides e água (Fig. 3). Eles são geralmente de forma oval ou redonda com um diâmetro médio de cerca de 0,5 µm e contêm cerca de 25% de lipídios e 75% de proteína. PM são resistentes à luz solar, exposição ao oxigênio, temperaturas acima de 80ºC (em água) e até 140ºC (seco), pH de 0 a 12, alta força iônica (3 M NaCl), ação da maioria das proteases, sensível a misturas de solventes orgânicos com água, mas são resistentes a solventes não polares como o hexano. De grande importância prática é a possibilidade existente de incorporar PM em matrizes poliméricas sem perda de propriedades fotoquímicas.

O transporte de prótons induzido pela luz é acompanhado por uma série de mudanças espectrais cíclicas em BR, cuja totalidade é chamada de fotociclo (Fig. 4). Trinta anos de pesquisa levaram a uma compreensão bastante detalhada do fotociclo, mas os detalhes do transporte de prótons ainda estão sendo estudados.

O ciclo fotoquímico do BR consiste em intermediários individuais, que podem ser identificados tanto pelos máximos de absorção quanto pela cinética de formação e decaimento. A Figura 4 mostra um modelo simplificado do fotociclo BR.

Fig.4. Fotociclo BR.

Os estágios fotoquímico e térmico são mostrados como setas grossas e finas, respectivamente. Os símbolos verticais indicam tudo-E-conformação da retina (intermediários B e O), símbolos oblíquos - para a conformação 13Z. No escuro, BR se transforma em uma mistura 1:1 D e B, essa mistura é chamada de BR adaptado ao escuro. Quando o BR está aceso, ocorre a adaptação à luz, ou seja, transição para o estado fundamental B. A partir daí, começa o fotociclo, que leva ao transporte de um próton através da membrana. Durante a transição eu para M durando aproximadamente 40 μs, a base de Schiff é desprotonada e o Asp85 torna-se protonado. A partir daí, o próton vai para fora da parte extracelular do canal de prótons. Durante a transição M para N a aldimina é reprotonada. O resíduo Asp96 atua como doador de prótons. Asp96 é reprotonado através do hemicanal de prótons citoplasmático. Embora todas as transformações entre intermediários sejam reversíveis, a transição de M eu para MII acredita-se ser o principal passo irreversível no fotociclo. Durante essa transição, o nitrogênio da base de Schiff torna-se inacessível à parte extracelular do canal de prótons, mas apenas ao meio-canal citoplasmático, que está associado a mudanças conformacionais na molécula da proteína.

As propriedades físico-químicas dos intermediários são caracterizadas pelo comprimento de onda de seus máximos de absorção e pelo valor do coeficiente de extinção molar específico. A protonação do SB e a configuração do resíduo de retinilideno afetam a magnitude dos máximos de absorção. Durante o fotociclo BR, várias mudanças conformacionais dependentes da temperatura ocorrem na proteína, de modo que a formação da maioria dos intermediários pode ser suprimida pelo resfriamento.

Além do fotociclo principal, existem dois estados que podem ser induzidos artificialmente. Em intermediários P e Q conformação retiniana 9Z. Isto é conseguido após a excitação fotoquímica tudo-E-retinal quando Asp85 é protonado ao mesmo tempo. Isso pode ser alcançado em BR tipo selvagem em baixo pH ou deionização (formação das chamadas membranas azuis), mas essas preparações não são estáveis. Uma abordagem alternativa é substituir Asp85 por um aminoácido com um valor de pKa diferente que permanece sem carga no pH de interesse ou remover completamente o grupo carboxila por mutagênese direcionada ao local. A estabilidade dessas membranas azuis mutantes é maior.

As propriedades únicas da bacteriorrodopsina proporcionam uma ampla gama de aplicações técnicas nas quais ela pode ser utilizada, porém, atualmente, apenas as ópticas são comercialmente viáveis, uma vez que sua integração em sistemas técnicos modernos é a mais simples.

As aplicações ópticas baseiam-se na utilização de filmes BR - matrizes poliméricas de várias composições com moléculas de proteína nelas incluídas. Pela primeira vez no mundo, tais filmes baseados no tipo selvagem BR foram obtidos e estudados em nosso país no âmbito do projeto "Rodopsina"; Na década de 1980, foram demonstradas a eficácia e as perspectivas do uso de tais materiais, denominados "Biocromo", como materiais fotocrômicos e meio de registro holográfico.

De grande interesse é a possibilidade de variar as propriedades fotoquímicas dos filmes BR:
a) substituição do cromóforo natural por um modificado;
b) influências químicas (físico-químicas);
c) substituições pontuais de certos resíduos de aminoácidos por métodos de engenharia genética.

Esses materiais modificados podem ter propriedades específicas valiosas, que predeterminarão seu uso como elemento base de um biocomputador.

molécula pensante

Nos últimos anos, cientistas de muitos países voltaram à velha e simples ideia de um computador "químico" no qual os cálculos são realizados por moléculas individuais. Ao longo do último ano, pesquisadores de vários laboratórios ao mesmo tempo conseguiram obter resultados brilhantes nessa área que prometem mudar radicalmente a situação.

Os cientistas obtiveram grande sucesso no trabalho com moléculas de pseudorotoxano (elas são mostradas na Fig. 1).

Eles conseguiram encaixar essa molécula, que tem a forma de um anel, em um eixo - uma molécula linear. Para evitar que o anel salte do eixo, grandes fragmentos moleculares são presos às suas extremidades, desempenhando o papel de "nozes" (vários grupos doadores foram usados ​​nessa capacidade). Ao reagir com um ácido (H+) ou uma base (B), o anel pode deslizar de uma extremidade do eixo para a outra, "trocando" o estado químico. É engraçado que, em princípio, ao nível molecular, se recrie um dispositivo mecânico, muito semelhante à ligação de varetas e rodas nos primeiros e mais primitivos dispositivos informáticos do século XVII (no entanto, se desejar, também pode veja o ábaco clerical mais simples nesta estrutura molecular, com uma junta em cada galho).

Essa elegante molécula de troca química foi estudada no início dos anos 90, porém, para a implementação prática da ideia, ainda era necessário criar métodos para combinar e controlar matrizes desses minimicrodiodos. Tendo criado uma monocamada de moléculas deste tipo orientadas de forma semelhante na superfície do metal (esta tarefa muito difícil foi resolvida usando os mais recentes métodos nanotecnológicos de automontagem), os cientistas depositaram a camada mais fina de ouro e já criaram protótipos primitivos de portas lógicas nesta base.

Alguns meses depois, um grupo conjunto de Mark Reid e James Tour (das Universidades de Yale e Rice) demonstrou ao público outra classe de moléculas de troca. Os resultados foram tão impressionantes que a revista "Scientific American" (junho de 2000) chegou a colocar na capa o anúncio "O Nascimento da Eletrônica Molecular" (eu gostaria de acrescentar - finalmente!). Como um dos autores escreveu com orgulho contido: "Criamos uma molécula com condutividade elétrica variável, que pode acumular elétrons ao nosso comando, ou seja, funcionar como dispositivo de armazenamento".

Em primeiro lugar, James Tour, usando uma técnica especial, sintetizou uma cadeia molecular de unidades de benzeno-1,4-ditiolato de 14 nanômetros de comprimento. Foram introduzidos nele grupos que capturam elétrons se a molécula estiver "sob tensão". O problema mais difícil, que também foi superado, foi que a troca deve ser um processo químico reversível. Para que uma molécula funcione como elemento de memória, ela deve ser ensinada não apenas a capturar elétrons, mas a retê-los apenas por um determinado tempo. A rigor, essa é justamente a principal conquista de Reed e Tour com os colegas.
Um interruptor eletroquímico (no sentido mais estrito e literal do termo!) é mostrado na fig. 2 (lado esquerdo). É uma cadeia de três anéis de benzeno, ao centro dos quais os grupos NO 2 e NH 2 estão ligados de lados opostos (destacados em cores na figura). Essa configuração molecular assimétrica cria uma nuvem de elétrons de forma complexa, resultando em um efeito físico surpreendentemente bonito e fundamentalmente importante para resolver o problema: quando um campo é aplicado, a molécula se torce, sua resistência muda e ela começa a passar corrente ( lado direito da figura). Quando o campo é removido, a molécula gira na direção oposta e retorna ao seu estado original. Um interruptor baseado neste princípio é uma cadeia linear de cerca de 1.000 moléculas de nitrobenzenotiol localizadas entre dois contatos metálicos. Além disso, as medições por microscopia de tunelamento (um fragmento de uma cadeia molecular foi soldado entre eletrodos de ouro ultrafinos em forma de agulha; a geometria experimental é mostrada na Fig. 3) permitiram obter os parâmetros de operação da chave, que podem ser chamados com razão a característica de tensão-corrente molecular e condutividade molecular (Fig. .4). A curva de condutância (que, aliás, ficou muito próxima da calculada) tem um mergulho claramente pronunciado. Isso torna possível transferir seções da molécula de um estado condutor para um estado não condutor e vice-versa, por uma simples mudança na tensão aplicada. Obteve formalmente e de fato (o químico, é claro, prefere o termo "sintetizado") um triodo molecular. De fato, isso pode ser considerado o primeiro estágio na criação da eletrônica molecular.

Conclusão

Embora os fundamentos teóricos da moletrônica já tenham sido suficientemente bem desenvolvidos e protótipos de quase todos os elementos de circuitos lógicos tenham sido criados, no entanto, dificuldades significativas surgem na maneira de construir um computador molecular. A possibilidade aparentemente óbvia de usar moléculas individuais como elementos lógicos de dispositivos eletrônicos acaba sendo muito problemática devido às propriedades específicas dos sistemas moleculares e aos requisitos para elementos lógicos.

Em primeiro lugar, o elemento lógico deve ter alta confiabilidade de operação quando uma ação de controle é aplicada. Se considerarmos a conexão óptica entre os elementos, no sistema uma molécula - um fóton, a confiabilidade da comutação será baixa devido à probabilidade relativamente baixa de transição da molécula para um estado excitado. Pode-se tentar superar essa dificuldade usando simultaneamente um grande número de quanta. Mas isso contradiz outro requisito importante: a eficiência da conversão do sinal por um elemento separado deve ser próxima da unidade, ou seja, a potência média de reação deve ser compatível com a potência média de impacto. Caso contrário, quando os elementos são combinados em uma cadeia, a probabilidade de sua operação diminuirá à medida que se afastam do início da cadeia. Além disso, o elemento deve mudar inequivocamente para o estado necessário e permanecer nele por um tempo suficientemente longo - até o próximo impacto. Para moléculas relativamente simples, esse requisito geralmente não é satisfeito: se a transição para um estado excitado pode ser controlada, a transição reversa pode ocorrer espontaneamente.

No entanto, nem tudo é tão ruim. A utilização de grandes moléculas orgânicas ou seus complexos permite, em princípio, contornar as dificuldades enumeradas. Por exemplo, em algumas proteínas a eficiência da conversão elétron-óptica é próxima da unidade. Além disso, para grandes moléculas bioorgânicas, o tempo de vida do estado excitado atinge dezenas de segundos.

Mas mesmo que um único elemento de computação molecular não tenha a confiabilidade de seus predecessores de silício, a operação eficiente do futuro computador pode ser alcançada combinando os princípios da moletrônica e da computação paralela usados ​​em supercomputadores. Para fazer isso, você precisa fazer vários elementos lógicos moleculares idênticos funcionarem em paralelo. Então a operação incorreta de um deles não levará a uma falha perceptível nos cálculos. Um supercomputador massivamente paralelo moderno com muitas centenas de processadores pode manter alto desempenho mesmo se 75% deles falharem. Quase todos os sistemas vivos usam o princípio do paralelismo. Portanto, a imperfeição dos organismos no nível de células ou genes individuais não os impede de funcionar efetivamente.

Hoje no mundo existem mais de uma dezena de centros científicos e tecnológicos envolvidos no desenvolvimento de dispositivos de eletrônica molecular. As conferências anuais reúnem centenas de especialistas nesta área.

O grande interesse em moletrônica é causado não apenas pelas perspectivas de construção de um computador, mas também pelas amplas possibilidades de desenvolvimento de novas tecnologias. Devido à alta sensibilidade dos dispositivos eletrônicos moleculares à luz, eles podem ser usados ​​para criar conversores de energia solar eficientes, simular o processo de fotossíntese e desenvolver uma nova classe de detectores de imagem, cujo princípio se assemelhará ao trabalho do olho humano . Dispositivos moleculares também podem ser usados ​​como sensores seletivos, respondendo apenas a certos tipos de moléculas. Esses sensores são necessários em ecologia, indústria e medicina. Um sensor feito de moléculas orgânicas é muito mais fácil de implantar em um corpo humano para monitorar sua condição.

Resolver os problemas da eletrônica molecular requer o esforço de uma ampla gama de cientistas que trabalham no campo do conhecimento acadêmico, desde a química coloidal e a biologia até a física teórica, bem como no campo das altas tecnologias. Além disso, são necessários investimentos financeiros significativos.

Também é necessário formar novos quadros altamente qualificados para trabalhar nesta área complexa, que se situa na intersecção das ciências. Mas, aparentemente, em 10 a 15 anos, desempenhará um papel significativo na ciência e na tecnologia.

Lista de materiais usados

De acordo com a rede Internet , artigos:

1. Goncharova E., Bacharel em Biotecnologia;

2. Zaitsev V., Shishlova A., Departamento de Física, Lomonosov Moscow State University M.V. Lomonosov;

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