Ipadala ang iyong mabuting gawa sa base ng kaalaman ay simple. Gamitin ang form sa ibaba
Ang mga mag-aaral, nagtapos na mga estudyante, mga batang siyentipiko na gumagamit ng base ng kaalaman sa kanilang pag-aaral at trabaho ay lubos na magpapasalamat sa iyo.
taong 2014
Paksa: Mga polimer at ang kanilang mga aplikasyon sa ika-21 siglo
1. Mga polimer
1. Kahulugan ng polymer polycondensation molecular
v Sa pamamagitan ng kahulugan nito, ang polymer ay isang high molecular weight compound na naglalaman ng sapat na dami ng monomer o “monomeric units.
v Sa madaling salita, ang mga polimer ay mga linear na kadena na binubuo ng mas malaking (N>1) na bilang ng magkaparehong mga yunit. Halimbawa, para sa mga sintetikong polimer N ~ 102-104.
v Bilang isang tuntunin, ang mga polimer ay mga sangkap na may timbang na molekular na ilang libo hanggang ilang milyon.
2. Unang produksyon ng polimer:
v Noong 1867, nakuha ng Russian chemist na si Alexander Butlerov ang unang polymer - dating hindi kilalang polyisobutylene.
v At noong 1910, si Sergei Lebedev, isa ring Russian chemist, ay nag-synthesize ng unang sample ng artipisyal na goma ((CH3)2C=CH2)n
3. Mga reaksyon para sa pagkuha ng mga polimer - polycondensation at polymerization:
v Karaniwan, ang lahat ng polymer ay nakuha sa pamamagitan ng dalawang pamamaraan - polycondensation at polymerization reactions.
v Ang mga molekula na naglalaman ng maramihang (mas madalas na doble) na bono ay pumapasok sa reaksyong polimerisasyon. Ang ganitong mga reaksyon ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng mekanismo ng pagdaragdag, ang lahat ay nagsisimula sa pagsira ng dobleng mga bono (reaksyon No. 1 - pagkuha ng polyethylene):
v Ang ganitong uri ng reaksyon ay gumagawa ng maraming polimer, kabilang ang capron.
Naka-host sa http://www.allbest.ru/
taong 2014
1. Pag-uuri ng mga polimer:
2. Istraktura ng polimer:
3. Paglalapat:
v Dahil sa kanilang mahahalagang katangian, ang mga polimer ay ginagamit sa inhinyero, industriya ng tela, agrikultura, at medisina. Automotive at paggawa ng barko, paggawa ng sasakyang panghimpapawid at sa pang-araw-araw na buhay (mga tela at mga produktong gawa sa katad, pinggan, pandikit at barnis, alahas at iba pang mga bagay).
v Batay sa mga macromolecular compound, ang goma, mga hibla, mga plastik, mga pelikula at mga pintura ay ginawa.
2. Mga polimer. Aplikasyon sa ika-21 siglo
v Ang agham ay hindi tumitigil sa mahabang panahon, at sa panahong iyon mula sa pagtuklas ng polimer hanggang sa kasalukuyan, napakaraming pagbabago ng kamangha-manghang sangkap na ito ang nalikha. Ang ilan sa mga pinakabagong pag-unlad ay ang sumusunod na tatlong polimer, bawat isa ay may natatanging katangian.
1. "Smart clay"
v Ang pangunahing bahagi ng naturang plasticine ay polydimethylsiloxane - (C2H6OSi) n. Pinagsasama ng polimer na ito ang ilang mga hindi pangkaraniwang katangian. Kaya, depende sa iba't ibang mga kondisyon sa kapaligiran, ito ay kumikilos nang iba: sa pamamahinga, ito ay kumakalat tulad ng isang likido, na may isang matalim na mekanikal na epekto ito ay nasira sa mga piraso tulad ng isang solidong katawan.
v Ang "Smart Plasticine" ay nakuha nang hindi sinasadya, ang imbentor nito ay naghalo ng silicone oil na may boric acid sa pag-asa na makakuha ng isang bagong uri ng goma, ngunit ang malagkit na masa ay naging walang katulad.
2. Hydrogel
v Hydrogels - ay mga solidong butil, isang polymer substance na may kakayahang tumaas ang volume ng higit sa sampung beses sa loob ng ilang oras. Ang kailangan lang ay tubig, ang mga butil ay mamamaga, magiging malambot na parang wax, kapag ang tubig ay sumingaw, sila ay lumiliit at tumigas muli. Ang mga naturang sangkap ay tinatawag na super-absorbents, hindi lamang sila sumisipsip ng isang malaking halaga ng tubig, pinapanatili ito ng namamaga na polimer sa loob ng sarili nitong mga molekula.
v Kapag ang solvent ay hinihigop ng polimer, ang mga coils ay nakaunat, i.e. sa paunang estado, ang compressed polymer coil ay sumisipsip ng isang solvent, tulad ng tubig, at ito ay kasama sa loob ng coil.
v Ang prinsipyong ito ay sumasailalim din sa eco-soils, mga hydrogel na ginagamit sa agrikultura. Karaniwan, kapag nagdidilig ng mga halaman, karamihan sa tubig ay napupunta sa mas malalim na mga layer ng lupa. Ang hydrogel na idinagdag sa lupa ay hindi pinapayagan itong dumaloy sa pamamagitan ng mga daliri, kahit na ang halaman ay nag-ugat sa pamamagitan ng butil, ang tubig ay hindi ibubuhos mula dito.
v Dahil ang molekula ng tubig ay naka-embed sa loob ng mga polymer chain ng hydrogel, walang pag-agos ng tubig na naobserbahan sa panahon ng pisikal na pagkasira ng hydrogel, at ang sistema ay nagpapanatili ng parehong mga katangian tulad ng bago ang pagkawasak.
v Ang pinaka-kapansin-pansing halimbawa ng gawain ng isang super-absorbent ay ang mga disposable diaper ng mga bata, kahit na ang mga hindi pa nakatagpo sa kanila ay alam kung paano sila gumagana. Ang multi-layer construction ay naglalaman ng parehong likidong sumisipsip ng polimer bilang isang espongha. Ang hydrogel, isang katulad na sangkap mula sa isang lampin, ay may kakayahang magsagawa ng mas seryosong trabaho, halimbawa, sa industriya ng langis.
v Matagal nang may malubhang problema sa produksyon ng langis. Kapag pumping out, para sa bawat tonelada ng "itim na ginto" mayroong tatlong tonelada ng tubig. Malaking halaga ang ginagastos sa paglilinis ng langis mula sa labis na likido. Sa loob ng mahabang panahon, ang mga siyentipiko ay naghahanap ng isang paraan upang paghiwalayin ang langis mula sa tubig bago ito pumasok sa pipeline, ang solusyon ay natagpuan sa laboratoryo ng Moscow State University.
v Ang polymer fluid ay ibinobomba sa isang balon ng langis at iba ang kilos depende sa kung ang balon ay dumadaan sa isang imbakan ng tubig o sa isang imbakan ng langis.
v Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ay medyo simple. Sa sandaling nasa balon, naiiba ang reaksyon ng polymer fluid sa langis at tubig, hindi ito tumutugon sa "itim na ginto", ngunit kapag ang polimer ay nakakatugon sa tubig sa daan, agad itong sumisipsip. Ang namamagang gel ay bumabara sa layer ng tubig at hindi ito ilalabas. Ang pagpapalawak ng hydrogel ay lumilikha ng karagdagang presyon sa langis, na nagiging sanhi ng pagpiga nito sa malinis na estado.
3. "Matalino na gamot
v Ang ilang polymer ay may kakayahang tumugon sa mga pagbabago sa panlabas na kapaligiran, kaya ang "matalinong plasticine" ay nagbabago ng kulay depende sa temperatura. Sa malamig na tubig, ito ay nagdidilim na kapansin-pansin, kung inilipat sa temperatura ng silid na tubig, ito ay bumalik sa orihinal na kulay nito. Kapag nagbabago ang temperatura, nagbabago ang density ng coil, i.e. mas mababa ang temperatura, mas maliit ang volume ng coil, at sa gayon, kapag bumaba ang temperatura, ang tina ay pinipiga, at kapag ito ay naipasok, ang tina ay iginuhit sa coil, na humahantong sa isang pagbabago sa kulay.
v Ang polymer ay pinipiga ang pintura tulad ng isang espongha na tubig, ngunit paano kung ang pangulay ay pinalitan ng isang gamot, ang polimer ba ay makakapagbigay ng tamang dosis ng gamot sa isang kontroladong paraan? Mayroong isang nakadirekta na gamot sa transportasyon sa isang buhay na organismo, ang problemang ito, na nilulutas at kailangang lutasin, ay lubos na nilalabanan.
v Karamihan sa mga gamot ay nasasayang. Ang tablet ay hindi alam kung paano makahanap ng isang may sakit na organ, na natunaw sa tiyan, ito ay magkakalat sa buong katawan sa pamamagitan ng dugo, hindi hihigit sa 10% ng gamot ang makakarating sa tamang lugar. Sa isip, ang gamot ay dapat pumunta nang direkta sa may sakit na organ at hindi maging sanhi ng mga side effect.
v Ang "Smart polymers" ay maaaring tumugon hindi lamang sa temperatura, sila ay sensitibo sa anumang pagbabago sa kapaligiran kung saan sila ipo-program. Alam namin na ang pinsala ay sinamahan ng acidification; ang kapaligiran ay nagiging acidic, ngunit ang helium na ito ay ginawa, upang kapag nag-asim, ito ay lumiliit ng kaunti at inilipat ang gamot na iniksyon dito.
v Batay sa polymer gel, isang natatanging gamot ang nilikha - mga hydrogel na nagpapagaling ng sugat. Ang hydrogel ay binubuo ng walong sangkap na hinahalo sa distilled water sa isang tiyak na pagkakasunod-sunod. Sa isang pang-industriya na sukat, ang bawat bahagi ay idinagdag sa isang tiyak na agwat ng oras; sa panahon ng reaksyon, ang mga sangkap na ito ay lumikha ng isang matatag na istraktura ng polimer, kung saan ang gamot ay idinagdag.
v Ang gel ay isang sasakyan na naglalaman ng gamot sa microcapsules, ito ay tinatawag ding “smart gel” - dahil, anuman ang mga taong gumagamit nito, ito ay naghahanap at nakakahanap ng mga sugat at nagbibigay ng tulong. Bilang bahagi ng hydrogel, hindi isa ngunit ilang mga gamot nang sabay-sabay, isang beses sa sugat, binibigyan sila ng polimer, depende sa kung ano ang kailangan ng katawan upang anesthetize o simulan ang proseso ng pagpapagaling, ang gamot ay unti-unting inihatid sa sugat at para sa isang mahabang panahon, at pagkatapos ay maaari lamang itong hugasan ng tubig. Bago ang gawaing ito, walang katulad nito sa Russia.
v Ang shell ng isang kapsula (tablet) ay gumagana sa parehong prinsipyo, ito ay gawa sa isang espesyal na polimer, ito ay responsable hindi lamang para sa paghahatid ng mga gamot sa kanilang nilalayon na patutunguhan, kundi pati na rin para sa pagpapalabas ng isang tiyak na dosis ng gamot sa ibabaw. mahabang panahon.
Bibliograpiya
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
Naka-host sa Allbest.ru
...Mga Katulad na Dokumento
Pagbubuo ng isang macromolecular compound mula sa mga simpleng monomer molecule sa kurso ng polymerization at polycondensation reactions. Ang proseso ng polycondensation ay isang hakbang-hakbang na proseso kung saan ang mga resultang produkto ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa. Mga kadena ng molekular.
abstract, idinagdag 01/28/2009
Ang pag-aaral ng konsepto at istraktura ng mga polimer, ang kanilang pag-uuri ayon sa pinagmulan, anyo ng mga molekula, ayon sa kalikasan. Mga katangian ng mga pangunahing paraan ng pagkuha - polycondensation at polymerization. Mga plastik at hibla. Ang paggamit ng mga polimer sa medisina at konstruksyon.
pagtatanghal, idinagdag noong 10/12/2015
Praktikal na pagpapatupad ng emulsion polymerization at copolymerization ng acrylic monomers, rate ng reaksyon at kinetics, na nakakaimpluwensya sa mga kadahilanan. Ang paraan ng paunang paglikha ng isang puro emulsion, ang pagbuo ng isang microemulsion at ang pagsusuri ng dispersity nito.
artikulo, idinagdag noong 02/22/2010
Pag-uuri ng mga reaksyon ng polycondensation, ang lalim ng kurso nito, ang equation ng Carothers. Impluwensya ng iba't ibang mga kadahilanan sa timbang ng molekular at ani ng polimer sa panahon ng polycondensation. Mga paraan ng reaksyon. Mga polimer na nakuha ng reaksyong polycondensation.
pagsubok, idinagdag noong 09/19/2013
Ang polyethylene ay isang high molecular weight compound, isang polimer ng ethylene; puting solid, lumalaban sa mga langis, acetone, petrolyo at iba pang mga solvents. Saklaw ng polyethylene. Saklaw ng mga polyethylene pipe at ang kanilang mga pangunahing bentahe.
abstract, idinagdag 10/27/2010
Pangkalahatang konsepto ng polimer. Ang proseso ng pagkuha ng mga macromolecular compound. Mga biocompatible na materyales at device. Organic, organoelement, inorganic na polimer. natural na organikong polimer. Ang paggamit ng bioadhesives sa non-invasive therapy.
abstract, idinagdag 04/23/2013
Ano ang mga polimer at mga tampok ng pag-unlad ng agham ng polimer. Paglalarawan ng mga pagkakaiba sa mga katangian ng mataas at mababang molekular na timbang na mga compound. Ang kasaysayan ng pag-unlad ng paggawa ng polimer. Teknolohikal na proseso ng pagbuo, paggawa at pamamahagi ng mga polimer.
abstract, idinagdag noong 06/12/2011
Ang pagbuo ng isang high-molecular compound mula sa mga monomer molecule sa panahon ng polymerization, polycondensation reactions. Ang proseso ng polycondensation ay isang hakbang-hakbang na proseso kung saan ang mga resultang produkto ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa. catalytic polymerization.
abstract, idinagdag 01/28/2009
Ang mga polimer bilang mga organiko at hindi organiko, amorphous at mala-kristal na mga sangkap. Mga tampok ng istraktura ng kanilang mga molekula. Ang kasaysayan ng terminong "polymeria" at ang kahulugan nito. Pag-uuri ng mga polymer compound, mga halimbawa ng kanilang mga uri. Aplikasyon sa pang-araw-araw na buhay at industriya.
pagtatanghal, idinagdag noong 11/10/2010
Pag-uuri, istraktura ng mga polimer, ang kanilang aplikasyon sa iba't ibang mga industriya at sa pang-araw-araw na buhay. Ang reaksyon ng pagbuo ng isang polimer mula sa isang monomer ay polimerisasyon. Formula para sa pagkuha ng polypropylene. Reaksyon ng polycondensation. Pagkuha ng almirol o selulusa.
Ang mga polar polymers ay nailalarawan sa pagkakaroon ng mga permanenteng dipoles sa kanilang istraktura. Kung ang conformation ng polimer ay mahigpit na naayos, ang resultang sandali ng molekula ay matutukoy sa pamamagitan ng kung ang mga sandali ng indibidwal na mga segment ay idinagdag o ibawas. Sa pangkalahatan, ang mga polymer molecule ay wala sa isang nakapirming conformation, at ang experimental value, rms dipole moment, ay isang average sa maraming iba't ibang conformation.
Para sa mga polar polymers, ang permittivity ay tinutukoy hindi lamang sa pamamagitan ng electronic kundi pati na rin ng resonant at relaxation polarization. Ang oras ng katangian para sa pagtatatag ng resonant polarization ay depende sa temperatura at 10-13 -10-12 s. Ang oras ng pagtatatag ng polarization ng relaxation ay nakasalalay sa temperatura at nag-iiba ayon sa maraming mga order ng magnitude. Samakatuwid, ang permittivity ng polar polymers ay bumababa nang may dalas at depende sa isang kumplikadong paraan sa temperatura.
Para sa mga polar polymers, na may mas mataas na permittivity kaysa sa mga nonpolar, ang molar polarization ay bumababa sa pagtaas ng temperatura. Ang kaugnayan (1.5) sa kasong ito ay binago sa anyo
kung saan ang mga bahagi ng tensor ng pagpapapangit polarizability ng molekula, ay ang kanyang pare-pareho (nagreresulta) dipole sandali ng molekula, ay ang Boltzmann pare-pareho, ay ang temperatura. Ang equation (1.6) ay madalas na tinatawag na Debye equation para sa molar polarization.
Ang dipole moments ng mga atomic group ay mahalagang nakasalalay sa uri ng kanilang kemikal na bono sa molekula kung saan sila pumapasok. Ang pangangailangan na isaalang-alang ang malakas na lokal na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng molekula at ang kapaligiran nito at, bilang resulta nito, ang lokal
pag-order, ang pagpapakilala ng koepisyent ng ugnayan ay isinasaalang-alang, na tinukoy bilang:
kung saan ang bilang ng pinakamalapit na molekula sa sistema, ang γ ay ang anggulo sa pagitan ng molekula sa reference point at ang pinakamalapit na kapitbahay nito. Isinasaalang-alang ang koepisyent ng ugnayan at ilang iba pang mga pagpapahusay na ginawa ng Fröhlich, ang resulta ay ang sumusunod na equation (tinatawag na Fröhlich equation), na nag-uugnay sa macroscopic permittivity sa dipole moment ng molekula:
kung saan ang refractive index ng liwanag sa isang ibinigay na dielectric.
Sa lahat ng polar polymers, dalawang uri ng pagkalugi sa pagpapahinga ay nakikilala: dipole-segmental at dipole-group. Ang unang uri ay dahil sa paggalaw ng mga malalaking segment ng macromolecules, na maaaring kinakatawan bilang mga baluktot na vibrations ng pangunahing molekular na kadena. Ang pangalawang uri ng pagkawala ay nauugnay sa pag-ikot ng maliliit na polar group na nakapaloob sa mga side branch ng macromolecule. Ang ilang mga rehiyon ng dipole-group loss maxima (β, γ, δ) ay sinusunod kapag ang polimer ay may mga polar group na may iba't ibang kadaliang kumilos. Tandaan na ang ilang mobility ng mga polar group ay pinananatili hanggang sa temperatura ng helium.
Habang tumataas ang polarity ng polimer, ang pagkalugi ng dielectric dahil sa pagtaas ng electrical conductivity. Ang mga ito ay sinusunod sa mataas na temperatura sa mababang frequency at tumataas nang exponentially sa pagtaas ng temperatura.
ugnayan sa pagitan ng mga konduktor at mga bahagi ng circuit sa iba't ibang mga electronic chip, na nagpapahintulot sa kanila na palakihin ang kanilang bilis.
Ang mga polyimides ay isinasaalang-alang sa modernong microelectronics bilang isa sa mga pinaka-promising na insulating materials. Ang mga polimer na ito ay may mahusay na thermal, mekanikal at elektrikal na mga katangian, na maaaring higit pang mapabuti kung ang kanilang dielectric constant ay nabawasan. Ang isa sa pinakasimpleng aromatic polyimides ay may sumusunod na pormula ng istruktura:
Upang mabawasan ang dielectric constant ng polyimide, iminungkahi na palitan ang ilan sa mga hydrogen atoms ng fluorine atoms, dahil ang polarizability ng mga C–F bond ay mas mababa kaysa sa C–H bonds. Ang C–F bond ay napaka polar, na, gayunpaman, ay hindi nakakaapekto sa permittivity sa mataas na frequency, ngunit maaaring humantong sa isang pagtaas sa mababang frequency. Gayunpaman, kadalasang ginagamit ang mga polyimide sa mga temperaturang mas mababa sa temperatura ng transition ng salamin, kaya mahirap ang orientational polarization at hindi gumagawa ng kapansin-pansing kontribusyon sa operating frequency range. Bukod dito, ang paggamit ng simetriko na pagpapalit ay nakakatulong upang maiwasan ang nagresultang dipole moment:
Ang paggamit ng fluorinated polyimides ay ginagawang posible na bawasan ang dielectric constant mula 3.4 hanggang 2.8.
Ang isa pang paraan upang bawasan ang dielectric constant ay ang pagtaas ng fraction ng libreng volume1 sa polymer material. Ang isang pagtaas sa libreng dami ay humahantong sa isang pagbawas sa bilang ng mga polarisable na grupo sa bawat dami ng yunit, sa gayon ay binabawasan ang dielectric na pare-pareho ng polimer. Ipinapakita ng mga pagtatantya na ginagawang posible ng pamamaraang ito na bawasan ang halaga ng permittivity ng ilang sampu-sampung porsyento na nauugnay sa paunang halaga.
Sa pangkalahatan, isinasaalang-alang ang parehong mga pamamaraan, maaari itong tapusin na kapag lumilikha ng mga istrukturang molekular na may mababang permittivity, ang regulasyon ng libreng dami ay kasinghalaga ng pagpili ng mga functional na grupo na may mababang polarizability.
Kasama ang paglikha ng polymeric dielectrics na may mababang dielectric constant, ang isa pang problema ay naging apurahan sa mga nakaraang taon - ang paglikha ng thin-film polymeric dielectric na materyales na may ultrahigh na halaga ng dielectric constant. Ang mga ito ay dapat na gamitin bilang gate dielectric layer sa organic field-effect transistors (OPTs). Ang isang bilang ng mga tiyak na kinakailangan ay ipinapataw sa mga dielectric ng gate ng mga OPT. Ang mga layer na ito ay dapat magkaroon ng isang mataas na dielectric na pare-pareho, mababang kondaktibiti at pagkalugi, at ang kanilang kapal ay hindi dapat lumampas sa ilang daang nanometer. Sa kasalukuyan, ang mga manipis na layer ng inorganic oxides, tulad ng SiO2, Ta2 O5, Al2 O3, at marami pang iba, ay malawakang ginagamit bilang gate dielectric layers sa paggawa ng mga OPT. Ang permittivity ng mga oxide na ito ay humigit-kumulang 6 - 30 sa isang kapal ng layer na 5 hanggang 500 nm.
1 Ang libreng volume sa isang polimer ay ang volume na dagdag sa sinasakop ng mga atom, batay sa kanilang van der Waals radius, ang volume.
Ang problema ng paglipat mula sa inorganic oxide hanggang sa polymeric dielectric layer ay nauugnay sa pangangailangan na gawing simple ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng mga OPT, dahil mahirap ang pagpapatupad ng teknolohiyang "printer" para sa pagmamanupaktura ng mga OPT na may oxide dielectrics.
Ang polar polymer dielectrics ay dapat isaalang-alang bilang mga promising na materyales na maaaring magamit para sa mga layuning ito. Ang partikular na interes ay ang mga polymer dielectric na ang mga molekula ay naglalaman ng mga polar group na may malaking dipole moment. Ang isang tipikal na kinatawan ng klase ng polymer dielectrics ay polyvinyl alcohol cyan ether (CEPS). Ang pormula ng istruktura ng CEPS monomer unit ay may anyo
Ang CEPS ay nailalarawan sa pamamagitan ng isa sa pinakamataas na halaga ng dielectric constant sa mga kilalang polymeric na materyales. Ang halaga ng ε ng polimer na ito sa dalas na humigit-kumulang 103 Hz ay
15, at ang tgδ ay hindi lalampas sa 0.1 - 0.15.
Ang ganitong makabuluhang permittivity ng CEPS ay dahil sa pagkakaroon ng highly polar nitrile (CN), car-
bonyl (C=O) at hydroxyl (OH) na mga grupo na may kakayahang oryentasyon sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field (Larawan 1.12). Sa isang kanais-nais na oryentasyon ng mga pangkat na ito, ang maximum na halaga ng dipole moment na katumbas ng 5.13 D ay ibinibigay, ngunit sa average ang kabuuang
1 Ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng "printer" ng OPT ay batay sa paraan ng pag-print ng inkjet, pati na rin ang paraan ng pag-print ng microcontact printing at thermal transfer printing.
ang dipole moment ng monomer unit (isinasaalang-alang ang correlation coefficient g = 0.84) ay 3.63 D.
kanin. 1.12. Ang isang makabuluhang dipole moment ng CEPS monomer unit ay lumitaw bilang isang resulta ng oryentasyon ng mga polar group
Ang mga polymer dielectric ay malawakang ginagamit sa iba't ibang mga elektronikong aparato. Sa mga organikong elektroniko, madalas silang ginagamit sa anyo ng mga manipis na pelikula, samakatuwid, kahit na sa medyo mababang mga boltahe ng operating, ang lakas ng electric field sa kanila ay umabot sa mga makabuluhang halaga. Sa katunayan, sa isang pelikula na 100 nm makapal, kapag nalantad ito sa isang boltahe ng 10 V, ang average na lakas ng field ay 106 V / s, ngunit sa mga lokal na rehiyon ng polimer, halimbawa, sa hangganan ng amorphous o mala-kristal. rehiyon o sa interface ng electrode-polymer, maaari itong makabuluhang lumampas sa halagang ito. . Kaya, ang mga problema na nauugnay sa lakas ng kuryente ng mga manipis na polimer na pelikula at ang kanilang pagganap sa isang malakas na electric field ay pinakamahalaga.
Sa ngayon, ito ay itinatag na ang elektrikal na pagkasira ng mga pelikula ay hindi isang kritikal na kaganapan na nangyayari kapag ang isang tiyak na lakas ng field ay naabot. Ang kanilang buhay sa isang electric field (tibay) ay bumababa nang husto sa pagtaas ng intensity nito. Pagkasira ng kuryente sa pamamagitan ng
Ang mga polymer film ay maaaring tingnan bilang isang proseso na binubuo ng dalawang magkakasunod na yugto. Sa unang yugto (paghahanda), ang akumulasyon ng pinsala sa mga macromolecule na pinasimulan ng electric field ay nangyayari. Ang tagal ng yugtong ito ay tumutukoy sa tibay ng sample ng pelikula sa isang electric field (ang oras mula sa sandaling ang boltahe ay inilapat sa polimer hanggang sa pagkasira). Sa pangalawang (panghuling) yugto, ang polymer dielectric ay nawawala ang kakayahang pigilan ang daloy ng high-density na kasalukuyang, ang matalim na pagtaas nito ay sinusunod, ibig sabihin, ang isang electrical breakdown ay nangyayari.
Ang lakas ng kuryente ng mga pelikula ng maraming polymer ay pinag-aralan sa pare-pareho, alternating, at pulsed voltages. Ang mga pag-aaral na isinagawa ay nagpapakita na ang pagkasira ng mga manipis na pelikula ng mga polimer
ang mga personal na uri ay nangyayari sa mga field na may intensity na (2–6) 108 V/m.
Ang halagang ito ay halos hindi naiiba sa lakas ng patlang, kung saan, sa ilalim ng mga kondisyon ng limitadong bahagyang paglabas, ang mga mas makapal na polymer film ay sumisira.
Ang mga mahahalagang kadahilanan na higit na tumutukoy sa mga diskarte na ginagamit upang isaalang-alang ang mekanismo ng pagkasira ng elektrikal ng mga istrukturang polimer ng manipis na pelikula ay ang pagtitiwala ng kanilang buhay sa kuryente sa lakas ng field at ang impluwensya ng rate ng pagtaas ng boltahe at ang materyal ng elektrod sa lakas ng pagkasira.
Ang naobserbahang epekto ng lakas ng patlang ng kuryente sa tibay at ang rate ng pagtaas ng boltahe sa lakas ng pagkasira ay tila isang napakahalagang katotohanan, dahil maaari itong isaalang-alang bilang isang indikasyon na ang elektrikal na pagkasira ng manipis na mga pelikulang polimer ay talagang resulta ng isang unti-unting akumulasyon ng pinsala (mga pagbabago) na nagtatapos sa isang pagkasira. Sa panahon ng prosesong ito, ang mga kondisyon ay nilikha kung saan, sa isang tiyak na punto ng oras, sa ilalim ng impluwensya ng isang malakas na electric field, ang polymer dielectric ay nawawala ang "dielectric" nito.
mga ari-arian" at may kakayahang dumaan sa mga makabuluhang agos, na humahantong sa pagkasira nito (pagkasira) dahil sa paglabas ng init.
Ang pagkasira ng isang polymeric na materyal sa isang electric field ay nangyayari dahil sa pagkasira ng mga kemikal na bono sa mga polymer molecule, ang paglabas ng enerhiya sa panahon ng recombination ng mga singil, at paglabas ng init sa panahon ng daloy ng isang high-density na kasalukuyang.
1.6. MGA POLYMER NA MAY SARILI MONG PAGGAWA
Ang pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng polymer dielectrics at polymers na may intrinsic electronic conductivity ay ang una ay hindi naglalaman ng conjugated chemical bond na ginagawa ng huli.
Kabilang sa iba't ibang mga pagsasagawa ng mga polimer, alinsunod sa pag-uuri na iminungkahi ng A.V. Vannikov, batay sa mga katangian ng transportasyon ng mga carrier ng singil, ang mga sumusunod na grupo ay maaaring makilala sa kaugalian.
1. Natutukoy ang kondaktibiti sa pamamagitan ng transportasyon ng mga carrier ng singil kasama ang mga polymeric polyconjugated chain. Ang mga karaniwang kinatawan ng pangkat na ito ng mga polimer ay nakatuon sa polyacetylene, polythiophene, polypyrrole.
2. Ang mga charge carrier ay gumagalaw sa mga polymer polyconjugated chain, ngunit ang kabuuang transportasyon ay natutukoy sa pamamagitan ng charge carrier jumps sa pagitan ng polymer chain. Kasama sa malaking grupong ito ang maraming derivatives ng polyphenylene vinylene, polymethylphenylsilylene, at iba pa. Dapat pansinin dito na ang paglipat ng intermolecular na singil ay lubos na humahadlang sa transportasyon, kaya ang kadaliang mapakilos ng mga carrier ng singil sa naturang mga polimer ay makabuluhang mas mababa kaysa sa intramolecular mobility.
3. Ang mga lokal na sentro ng transportasyon ay matatagpuan sa pangunahing kadena ng polimer, na walang polyconjugation, halimbawa, isang polyimide na naglalaman ng mga grupo ng transportasyon ng triphenylamine o anthracene sa pangunahing kadena.
4. Ang mga localized na transport center ay mga side substituent ng polymer backbone. Kabilang dito ang polyvinylcarbazole, polyepoxypropylcarbazole, polyvinyl anthracene, atbp.
5. Ang pinakahuli, pinakamalawak na grupo ay kinabibilangan ng mga polymer na doped na may aktibong mababang molekular na timbang na mga compound. Sa ganitong mga compound, ito ay ang polymer matrix na karaniwang tumutukoy pisikal-mechanical at spectral na katangian ng system.
Ang mekanismo ng pagpapadaloy ng mga polimer na kabilang sa mga pangkat 2-5 ay hopping at nauugnay sa paglipat ng mga carrier ng singil sa pamamagitan ng mga sentro ng transportasyon. Sa pamamagitan ng likas na katangian nito at naobserbahang mga regularidad, ito ay katulad ng mekanismo ng paglukso ng mobility. Depende sa likas na katangian ng polimer, ang kadaliang mapakilos sa kanila ay maaaring elektron o butas.
Ang transportasyon ng butas ay isinasagawa sa pamamagitan ng mga sentro ng transportasyon na may pinakamababang potensyal na ionization. Kadalasan ang mga ito ay mga mabangong grupo ng amine o compound. Ang transportasyon ng butas ay nauugnay sa pagtalon ng isang electron mula sa pinakamataas na punong molekular na orbital (level ng HOMO) ng neutral na transport center patungo sa molecular orbital ng kalapit na sentro ng transportasyon na may positibong charge.
Ang transportasyon ng elektron ay nangyayari sa pamamagitan ng mga sentro ng transportasyon na nailalarawan sa pinakamataas na pagkakaugnay ng elektron. Kadalasan, ang mga pangkat na naglalaman ng oxygen ay kumikilos bilang mga sentro. Ang isang electron mula sa molecular orbital ng negatibong sisingilin na sentro ay gumagalaw sa pinakamababang libreng orbital (LUMO level) ng kalapit na neutral na transport center.
kondaktibiti,
Pangalan ng formula sa istruktura
polyacetylene 10 4
polyphenylene 10 3
polypyrrole 10 3
polythiophene 10 3
polyaniline 10 2
kanin. 1.13. Mga istrukturang formula ng pagsasagawa ng mga polimer
Ang electrical conductivity ng polymers na kabilang sa unang grupo ay tinutukoy ng electrical conductivity ng polymer chain. Ang mga polimer na ito ay mga polimer na may mataas na madilim na kondaktibiti. Ang mga istrukturang formula at tiyak na kondaktibiti ng ilan sa mga ito ay ipinakita sa fig. 1.13.
-/a 0 /a
kanin. 1.14. Plot ng pag-asa ng enerhiya sa wave vector ng isang electron sa isang monoatomic linear chain (a) at density ng mga estado g (E)
para sa chain na ito (b). Ang mga estado na inookupahan ng mga electron sa T = 0 ay may kulay
HISTORICAL FLASHBACK
Ang mga polymer na may mataas na electrical conductivity, pseudometallic at semiconducting properties ay nakuha noong 1960s. Ang isang klasikong halimbawa ng klase ng polimer na ito ay polyacetylene. Dahil sa polyconjugated chemical bond, ang electrical conductivity nito ay maaaring mabago sa isang malawak na saklaw kapwa sa panahon ng synthesis (sa pamamagitan ng pagkontrol sa haba ng polymer chain) at sa ilalim ng mga impluwensya sa field (thermal, electromagnetic, ionizing radiation), na humahantong sa isang kaukulang pagbabago sa alinman sa pangunahing istraktura ng polimer (structural rearrangement), o upang baguhin ang antas ng polimerisasyon nito. Ang pagsasagawa ng mga polymer ay malawakang ginagamit para sa paggawa ng mga electrodes para sa kasalukuyang mga mapagkukunan ng kemikal (polyanilines), awtomatikong mga controller ng temperatura at mga stabilizer ng boltahe (polyacrylonitriles), bilang mga capacitor electrolytes (mga asin ng polypyrolles), atbp. Ang pagtuklas at pag-aaral ng epekto ng photoconductivity sa polynitriles, polyphthalocyanines, polyphenyl, at polyphenylenevinylenes ay humantong sa pagbuo ng mga photodetector batay sa kanila, at ang mataas na "sensitivity" ng mga spectral na katangian ng polymers sa paunang istraktura at polymer component ay naging posible. para gumawa ng mga device na may malawak na spectral range. Totoo, para sa kapakanan ng hustisya, dapat itong kilalanin na ang kanilang luminescence quantum yield ay hindi lalampas sa ilang porsyento. Noong 1980s, bilang isang resulta ng mga pag-aaral ng pagsasagawa ng mga polimer na may mataas na antas ng oryentasyon ng mga polymer chain sa isang bulk sample (na ginagawang posible na gamitin ang mga katangian ng isang quasi-one-dimensional na istraktura ng macromolecules), polymeric quasi-crystalline nakuha ang mga materyales na may mataas na anisotropy ng mga de-koryenteng katangian. Ang kadaliang mapakilos ng mga carrier ng singil sa kanila ay umabot sa 5000–6000 cm2/V.s.
Ang iba't ibang mga istraktura ng mga sistema ng polimer at ang posibilidad ng kanilang pagbabago ay nagbigay sa mga mananaliksik ng pinakamalawak na pagpipilian ng mga katangian ng materyal. Ito, siyempre, ay nag-udyok sa kanila na subukang ipatupad ang mga aktibong elektronikong aparato batay sa mga polymeric na materyales. Ang gawain ay isinasagawa batay sa teorya ng mga aparatong semiconductor, ang pisikal at teknolohikal na mga prinsipyo ng kanilang pagbuo, na medyo mahusay na binuo sa oras na iyon. Kasabay nito, sa mga sistema ng polimer (molekular), ang mga estado ng enerhiya ng mga carrier sa pinakamataas at pinakamababang antas ng mga molekular na orbital ay kumilos bilang isang analogue ng antas ng Fermi, at ang analogue ng proseso ng doping, na humahantong sa isang pagbabago sa posisyon ng antas ng Fermi, ay ang pagpapatakbo ng pagpapalit ng kemikal, na nagdudulot ng pagbabago sa potensyal ng ionization at pagkakaugnay ng elektron . Sa pamamagitan ng pagbabago ng pangunahing istraktura ng polimer, maaaring itakda ng isa ang mga antas ng molecular orbitals at, dahil dito, ang lapad ng band gap nito. Ang pagpapatuloy ng pagsasaalang-alang ng mga pagkakatulad, itinuturo namin na ang mga sistema ng mga linear polymers na may conjugated bond ay maaaring magamit bilang mga interconnect.
Pagkatapos ng isang maikling makasaysayang digression, isaalang-alang natin ang "pagsulong" ng mga polimer sa mundo ng mga modernong elektronikong aparato.
MGA ORGANIC NA LED NA MAY MATAAS NA NINGNING
Ang mga light-emitting diodes (LED) ay ang unang mga elektronikong aparato batay sa mga polimer. Ngayon ay maaari na itong isaalang-alang na ang mga pag-unlad ay halos umabot sa antas na ginagawang posible na lumipat sa pang-industriya na produksyon ng mga organic na LED, at ang gawain ngayon ay lumikha ng mga device na may mataas na ningning. Maraming mga pag-aaral sa lugar na ito sa iba't ibang paraan ang humantong sa pinakamainam na disenyo at teknolohikal na opsyon, na tinawag na "transparent organic light emitting diode" (Transparent Organic Light Emitting Diode - TOLED, Fig. 1). Ang prinsipyo ng operasyon nito ay napaka-simple at binubuo sa pagbuo ng radiation ng mga molekula ng polimer sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field bilang resulta ng recombination ng mga carrier sa electroluminescent layer. Sa istruktura, ang LED ay dapat na idinisenyo upang ang transparent na electrode, ang hole transfer layer, ang electroluminescent layer at ang waveguide ay kasing transparent hangga't maaari, at ang electron transfer layer at ang negatibong electrode ay nagbibigay ng maximum na interference at specular reflection ng radiation. Upang mapahusay ang kontribusyon ng sinasalamin na radiation sa ilang mga disenyo ng LED, ang negatibong elektrod ay binibigyan ng angkop na hugis (halimbawa, isang malukong parabolic na salamin) at ang mga optical na elemento batay sa mga Fresnel lens na nabuo sa plastic layer ay ipinakilala.
Sa kasalukuyan, ang mga bagong organikong materyales para sa mga LED ay aktibong pinag-aaralan. Kaya, ang isang conducting polymer na may pinakamataas na intensity ng radiation sa isang ratio ng para- at metamodifications ng 2:1 ay nakuha sa kumpanya ng Fujitsu batay sa isang copolymer ng para- at metabutadiene. Ang isang conductive thiophene-based polymer ay ginagamit bilang hole-injecting layer, na naging posible upang mabawasan ang operating boltahe ng LED sa mataas na alon. Ang positibong electrode na gawa sa Mg-In alloy ay lubos na matatag at nagbibigay ng mataas na antas ng electron injection. Ang isang negatibong indium tin oxide electrode ay idineposito sa isang glass substrate.
Sa hinaharap, plano ng kumpanya na gamitin ang organic na LED na ito na may mga polysilicon field-effect transistors upang lumikha ng mga display na may kakayahang magparami ng "live" na imahe. Ang mga display na ito ay magkakaroon ng mataas na liwanag at malawak na viewing angle, at mas mababa ang halaga kaysa sa kasalukuyang mga AM LCD.
DISPLAY SYSTEMS
Hanggang kamakailan lamang, ang mga LED batay sa mga organikong compound ay ginagamit lamang sa mga cell phone at relo, dahil may mga makabuluhang problema sa teknolohiya sa pagpapanatili ng mga katangian ng mga LED kapag bumubuo ng mga matrice. Ang pag-unlad ng "mababang temperatura" na mga teknolohiya ay inalis ang balakid na ito. Ang intensity ng trabaho at ang hanay ng mga gawain na malulutas sa paglikha ng mga flat indicator at display batay sa mga organic na materyales ay pinatunayan ng pananaliksik sa larangan ng pagkuha ng mga tunable color LEDs na may vertical na istraktura (Princeton University) at isang color organic na EL display para sa mga wall-mounted TV at mobile multimedia system (Idemitsu Kosan company) , pati na rin upang makabisado ang pilot production ng polymer LEDs batay sa teknolohiya ng Cambridge Display Technology (Uniax) at ang produksyon ng mga LCD sa mga plastic substrates (Ricon). Ang makinang na kahusayan ng mga modernong organikong LED at mga aparato sa pagpapakita ng impormasyon batay sa mga ito ay 10–60 lm/W, ang liwanag ng paglabas ng liwanag ay umabot sa 50,000 cd/m2, at ang buhay ng serbisyo ay 10,000 oras (sa liwanag na 150 cd/m2) .
Ang pangunahing tagumpay ng 90s ay ang pagbuo ng mga organikong asul na LED, na naging posible na magpatuloy sa paglikha ng mga full-color na screen batay sa RGB triads. Ang isa sa mga pangunahing problema sa teknolohikal sa kasong ito ay ang nakakapinsalang epekto ng teknolohikal na pagproseso sa panahon ng pagbuo ng isang hanay ng mga LED (ang mga unang elemento ng set ay apektado ng kemikal kapag nabuo ang pangalawang elemento, at ang unang dalawang elemento ay apektado ng proseso ng pagmamanupaktura ng ikatlong elemento ng set). Ang pagkakaroon ng kahit na menor de edad na kontaminasyon ng kemikal (lalo na sa mga metal na alkali) ay maaaring humantong sa isang makabuluhang pagkasira ng mga katangian ng materyal na electroluminescent at maging sanhi ng mga makabuluhang pagbabago sa intensity ng luminescence at parang multo na mga katangian, at paikliin ang buhay ng aparato. Ang teknolohiya ng masking upang protektahan ang mga layer sa sunud-sunod na produksyon ng mga elemento ng triad ay hindi maiiwasang humahantong sa isang limitasyon sa resolution ng display.
Ang problemang ito ay matagumpay na nalutas sa pamamagitan ng paglipat sa isang maskless na teknolohiya para sa paggawa ng isang three-dimensional kaysa sa isang planar na istraktura. Ayon sa teknolohiyang ito, ang mga elemento ng triad ay ginawa sa anyo ng tatlo o apat na panig na mga pyramids, na nabuo sa pamamagitan ng pagpindot sa isang plastic na substrate. Sa isang tiyak na mukha ng lahat ng mga pyramids ng matrix, ang organikong materyal ay idineposito sa pamamagitan ng direksyon na pag-deposito ng singaw, na nagbibigay ng radiation ng isang kulay. Pagkatapos ay paikutin ang substrate sa naaangkop na anggulo (120° o 90°) at idineposito ang materyal ng susunod na kulay ng glow. Sa ikaapat na mukha, nabuo ang isang layer ng isa sa mga kulay ng pinababang ningning, na nagbibigay-daan sa pagpapalawak ng kulay gamut na muling ginawa ng display, pati na rin ang pag-stabilize ng puting balanse sa panahon ng operasyon. Ang disenyo na ito ay nagbibigay ng pagtaas sa resolution ng halos tatlong beses. Ang polymer layer na may mga pyramids at contact hole ay idineposito sa ibabaw ng isang aktibong matrix na tumutugon sa thin-film field-effect transistor (TFT) circuit na gawa-gawa kasabay ng mga bumps sa isang glass substrate. Ang lahat ng mga bahagi ng teknolohikal na ruta ay nagawa na, at ang mga developer ay umaasa na makagawa ng medyo murang mga display na may mataas na pagganap.
Ang hindi mapag-aalinlanganang interes ay ang mga pag-unlad ng ultrathin na mga organic na display. Ang Massachusetts Institute of Technology ay bumuo ng isang teknolohiya para sa paggawa ng mga display sa isang plastic layer na 100 microns lamang ang kapal, na maaaring i-twist sa isang roll na may radius na 5 mm nang hindi binabago ang mga katangian nito. Ang imahe ay nabuo sa isang layer ng electrophoretic paste na inilapat sa electrode grid sa isang flexible polymer substrate. Ang i-paste ay binubuo ng mga microcapsule na naglalaman ng puti (titanium dioxide - isang karaniwang bahagi ng tradisyonal na puti) at itim (isang pinaghalong mga organikong tina) na microparticle na sinuspinde sa molten polyethylene. Ang shell ng mga kapsula ay sumasailalim sa isang espesyal na paggamot upang matiyak ang transparency nito. Ang average na laki ng kapsula ay tungkol sa 50 microns. Ang isang grid ng mga transparent electrodes ay inilapat sa ibabaw ng i-paste na layer. Kapag ang isang boltahe ng isang polarity ay inilapat, ang negatibong sisingilin na mga puting particle ay lumipat sa tuktok ng mga kapsula at hinaharangan ang mga itim na particle. Bilang resulta, ang kapsula ay nagiging puti. Kapag ang polarity ay nabaligtad, ang mga puting particle ay lumipat sa ilalim ng kapsula, at ang kulay nito ay nagiging itim. Ang resolution ng naturang display ay tumutukoy sa grid spacing ng mga electrodes, at na para sa mga unang sample ay maihahambing ito sa mga karaniwang halaga para sa mga laser printer. Ang paggamit ng kuryente ng isang display na may screen na diagonal na 30 cm ay 12 mW, ang tagal ng pag-playback ng impormasyon kapag ang boltahe ay tinanggal ay hindi limitado (hanggang sa bagong addressing). Ang imahe ay maaaring baguhin nang higit sa 107 beses nang walang pagkasira ng pagganap. Sa batayan ng naturang konstruksyon, posible na lumikha ng "electronic paper".
Inihayag ng Xerox ang paghahanda ng mga copier batay sa "electronic paper" - mga ultra-thin na display na ginawa gamit ang teknolohiya ng Gyricon, na kinabibilangan ng paggamit ng mga oil cavity na may mga plastic sphere. Kapag inilapat ang boltahe, ang mga sphere ay nakatuon sa ibabaw na may alinman sa itim o puting bahagi. Ang dalawang AA na baterya ay sapat na upang kopyahin ang imahe. Ang pagwawasto at pag-update ng impormasyon ay pinapayagan. Ang tanging disbentaha ng mga display ay ang pangangailangang protektahan laban sa electrical interference, lalo na mula sa static na kuryente. Ang "electronic paper", tulad ng ordinaryong papel, ay magaan, nababaluktot, madaling basahin mula sa anumang anggulo ng view. Bilang karagdagan, mayroon itong mga bagong katangian tulad ng kakayahang mag-update ng impormasyon nang ilang libong beses at gumamit ng isang electronic pointer. Ayon sa mga espesyalista sa Xerox, ang presyo ng naturang papel ay hindi lalampas sa 25 cents kada A4 sheet.
ORGANIC THIN FILM TRANSISTORS
Sa paggawa ng mga display, ang pinagsamang pagbuo ng mga TFT sa pamamagitan ng tradisyonal na teknolohiya at mga organic na LED ay mahirap dahil sa mga proseso ng mataas na temperatura na nagdudulot ng pagkasira ng mga katangian ng mga organikong materyales. Ang mga TFT batay sa mga organikong materyales ay maaaring gawa-gawa sa mas mababang temperatura at, sa parehong oras, ang murang mga substrate ng plastik ay maaaring gamitin sa halip na mga mamahaling salamin, na makabuluhang bawasan ang gastos ng buong produkto. Ang pagbuo ng organic na teknolohiyang TFT ay nagbubukas ng magagandang pagkakataon para sa paglikha ng mga ultra-light at ultra-flat na mga display na may mataas na flexibility at lakas. Ang paglutas ng mga teknolohikal na isyu ng pagkuha ng mga TFT batay sa mga organikong materyales ay magiging posible na gawin ang lahat ng mga elemento ng display gamit ang mga katulad na proseso ng teknolohikal, na magbabawas sa mga gastos sa produksyon at mabawasan ang heterogeneity ng mga kagamitang ginamit. Ayon sa kanilang mga katangian, ang mga modernong organikong TFT ay hindi mas mababa sa mga karaniwang sa mga amorphous na silikon na pelikula. Ang tipikal na istraktura ng organic TPT ay ipinapakita sa Fig.2.
Ang isang prototype na TFT sa pentacene na may haba at lapad ng gate na 5 at 500 µm, ayon sa pagkakabanggit, at isang dielectric na kapal ng gate na 140 nm ay may threshold na boltahe na 10 V at isang saturation drift mobility na 1.7 cm2/V.s (isang record na resulta para sa organic transistor). Upang bawasan ang kasalukuyang pagtagas sa pagitan ng mga indibidwal na TFT, isang tiyak na Corbino topology ang ginagamit, kung saan ang pinagmulang electrode ay bumubuo ng isang saradong singsing sa paligid ng aktibong rehiyon ng TFT, sa gitna kung saan matatagpuan ang drain electrode. Sa disenyong ito, kinokontrol ng gate ang lahat ng kasalukuyang dumadaloy mula sa drain hanggang sa pinagmulan, na nagbibigay ng on-to-off na kasalukuyang ratio na ~108, pati na rin ang mababang leakage currents (ang off-state na kasalukuyang ay malapit sa antas ng ingay. ).
Kaya, maaari itong sabihin na ang teknolohikal na problema ng pagbuo ng mga aparato ng pagpapakita ng impormasyon na ganap mula sa mga organikong materyales ay nalutas na ngayon.
OPTOELECTRONICS AT LASER TECHNOLOGY
Ang mga pag-unlad sa paglikha ng mga organikong LED at mga sistema ng pagpapakita ng impormasyon ay pinasisigla din ang pagbuo ng mga aparato na may elektrikal na paggulo batay sa mga organikong polimer, isa sa mga pinaka-promising na materyales para sa paggawa ng mga bagong uri ng optoelectronic integrated circuits. Ang pangunahing bentahe ng naturang mga IC ay ang kanilang mababang gastos at isang medyo simpleng teknolohiya na angkop para sa mastering mass production. Ang pananaliksik sa lugar na ito ay isinasagawa ng maraming kumpanya sa USA, Germany, Austria at Italy. At ngayon, ang mga pang-industriyang polymer fibers ay ginagamit na sa karaniwang hybrid optoelectronic circuits.
Mahigit sa isang dosenang polimer na may mga katangian ng semiconductor na angkop para sa pagbuo ng laser sa buong nakikitang hanay ay napag-aralan. Ang partikular na interes sa mga developer ay conjugated polymers na may mga side chain, dahil ito ang mga side chain na tumutukoy sa lapad ng energy band, i.e. haba ng daluyong ng radiation. Dahil sa mataas na pagkalipol ng nabuong radiation (mga pelikulang kasing manipis ng 0.1 µm ay sumisipsip ng 90% ng radiation), ang mahinang pag-asa ng kahusayan ng quantum ng photoluminescence sa dami ng aktibong polimer sa resonator, at ang malaking paglipat ng enerhiya sa pagitan ng pagsipsip at emission spectra (na ginagawang madali upang makamit ang pagbaligtad ng populasyon), conjugated polymers kahit na sa maliit na kapal, ang mga ito ay angkop para sa pagbuo ng isang aktibong laser medium. Ang mataas na solubility ng conjugated polymers na may mga side chain sa karaniwang organic solvents ay lubos na nagpapadali sa teknolohiya ng pagdedeposito at pagbuo ng kinakailangang layered film topological structures, kabilang ang mga tradisyonal na pamamaraan ng photolithography na mahusay na binuo sa microelectronics.
Ang isa sa mga pinaka-seryosong problema sa paggawa ng mga device na may electrical excitation sa polymer films ay ang mataas na density ng generation threshold current (~1 kAChcm2). Ito ay malulutas sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang distributed feedback at isang distributed Bragg reflector (DRB) upang mapataas ang quality factor ng resonator. Ginagawa ng ROB ang function ng isang resonator mirror. Ito ay nabuo sa pamamagitan ng alternating polymer layer ng iba't ibang kapal na may mababa at mataas na halaga ng refractive index. Dahil ang haba ng resonator ay nag-iiba depende sa wavelength ng radiation, ang isang ROB na may katulad na istraktura ay maaaring suportahan ang multimode generation.
Ang isang halimbawa ng matagumpay na paggamit ng mga polymer sa teknolohiya ng laser ay ang unang electrically excited na organikong-materyal na laser mula sa Lucent Technologies, na angkop para sa pang-industriyang produksyon. Ito ay ginawa sa mga kristal ng tetracene, ang mga molekula nito ay naglalaman ng apat na singsing na benzene. Ang istraktura ng field (isang channel na 25 µm ang lapad at 200–400 µm ang haba) ay nabuo sa tetracene layer na 1–10 µm ang kapal, na nakuha sa pamamagitan ng vapor deposition sa isang dielectric substrate sa isang inert na daloy ng gas. Ang isang layer ng aluminum oxide na may kapal na 0.15 μm ay ginamit bilang isang dielectric, at ang control electrodes ay gawa sa aluminum-doped zinc oxide. Ang istraktura ay isang planar multimode waveguide na may kabuuang panloob na pagkawala ng ~100 cm-2. Ang laser resonator ay nabuo sa pamamagitan ng cleavage ng isang tetracene crystal na may pagbuo ng mga facet na may reflection coefficient na ~8%. Sa isang mataas na density ng kasalukuyang iniksyon sa resonator, ang pag-channel ng radiation sa isang wavelength na 575.7 nm ay na-obserbahan na may amplification sa panahon ng operasyon sa multimode mode. Sa temperatura ng silid, ang laser ay nagpapatakbo sa isang pulsed mode, at sa 200 K, sa isang tuloy-tuloy na wave mode. Sa isang pagbawas sa mga pagkalugi sa pagmuni-muni dahil sa pagpapakilala ng ipinamahagi na feedback at ROB, ang operasyon sa tuluy-tuloy na mode at sa temperatura ng silid ay posible. Ang bentahe ng laser ay ang posibilidad ng frequency tuning, dahil ang emission spectrum ng tetracene ay medyo malawak.
Ang mga laser na batay sa mga organikong materyales ay mas mura kaysa sa mga semiconductor, at ang isang malawak na pagpipilian ng mga materyales ay ginagawang posible upang masakop ang isang makabuluhang hanay ng parang multo. Ligtas na hulaan na ang mga naturang laser ay makakahanap ng malawak na aplikasyon sa optical memory at laser printer sa malapit na hinaharap.
INDUSTRIAL DEVELOPMENT NG POLYMER TECHNOLOGY
Sa kabila ng lahat ng heterogeneity ng polymeric na materyales na ginamit, karamihan sa mga operasyon para sa paglikha ng mga device at structural elements ay magkapareho sa istraktura at maaaring mapag-isa. Ang mga operasyong ito, una sa lahat, ay kinabibilangan ng mga proseso ng deposition (deposition) ng mga polymer layer at ang mga proseso ng paghubog. Naipahiwatig na sa itaas na para sa karamihan ng mga manipis na pelikula at makapal na mga materyales sa pelikula, ang mahusay na itinatag na vapor deposition, screen printing at lithography (para sa mga natutunaw na komposisyon) na mga proseso ay maaaring gamitin.
Ang isang rebolusyonaryong diskarte sa pagpapaunlad ng teknolohiya para sa mass production ng mga electronic device batay sa mga organic na pelikula ay ipinakita ng kumpanya ng California na Rolltronics. Ayon sa teknolohiya nito, na tinatawag na roll-to-roll (mula sa coil hanggang coil), isang malaking coil na may flexible plastic ay ginagamit sa conveyor production cycle, na gumaganap ng papel ng substrate ng hinaharap na device (Fig. 3). Ang haba ng plastic tape ay higit sa 300 m, at ang lapad ay maaaring lumampas sa 1 m. Ang sunud-sunod na aplikasyon at pagbuo ng mga layer ay isinasagawa sa mga dalubhasang silid sa pagproseso na tinitiyak ang pagpapatupad ng buong teknolohikal na ikot. Naniniwala ang mga developer na makakabuo sila ng mga istruktura sa mga temperaturang hindi mas mataas sa 100–125°C, na magpapahintulot sa paggamit ng karamihan sa mga modernong polymeric na materyales.
Kasama ang Iowa Thin Film Technologies, binalak ng Rolltronics na magkomisyon ng roll-to-roll production line sa pagtatapos ng 2001. Ang pangunahing elemento ng mga disenyo sa hinaharap, isang thin-film transistor, ay pinili bilang isang "panulat na pagsubok". Bilang karagdagan sa mga TFT, nilalayon ng kompanya na gumawa ng mga memory circuit, power device at mga elemento ng display, pati na rin ang lahat ng bahagi ng mga electronic na libro at elektronikong papel. Ang roll-to-roll na teknolohiya ay angkop para sa pagbuo ng mga flat screen, LED lighting at mga panel ng impormasyon, solar cell, optoelectronic device at semiconductor laser. Tinatawag ng mga kinatawan ng kumpanya ang teknolohiyang ito na isang pambihirang tagumpay sa hinaharap, na binibigyang diin ang napakataas na kahusayan at pagiging produktibo nito, na magpapahintulot sa paglipat sa mass production ng mga bagong uri ng mga elektronikong aparato at kapansin-pansing bawasan ang kanilang gastos.
MGA PROSPEKTO SA PAG-UNLAD
Ang mga pisikal na prinsipyong ginamit at ang teknolohiya ng "polymer electronics" ay ang unang natural na hakbang patungo sa molecular electronics. Ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng katotohanan na, sa kaibahan sa mga klasikal na solid-state electronics, kung saan ang mga katangian ng isang mala-kristal na katawan ay isinasaalang-alang at ang mga aktibong istruktura ay nabuo sa dami nito, sa kaso ng paggamit ng mga polimer, kinakailangang isaalang-alang ang mga katangian ng mga molekula. Sa paglipat sa tunay na molecular electronics, kapag ang mga indibidwal na molekula ay kumikilos na bilang isang aktibong elemento, ang pangunahing gawain ay ang pumili ng isang teknolohikal na pamamaraan para sa punto (lokal) na epekto sa isang molekula at baguhin ang pangunahing istruktura ng kemikal nito. Naturally, kung ang isang teknolohikal na tool ay walang kakayahang lokal na baguhin ang paunang molekular na sistema sa atomic na antas, ang mga pamamaraan ng pagbuo sa sarili at regulasyon sa sarili ay dapat na binuo, tulad ng nangyayari sa kalikasan sa siklo ng buhay ng mga virus at bacteriophage. Sa unang pagtatantya, kabilang dito ang paraan ng Langmuir-Blodgett para sa pagkuha ng mga monolayer na pelikula o ang paraan ng self-assembled monolayers ng mga oligomer sa isang metal substrate (Self-assembled monolayers - SAM). Ang mga pamamaraang ito ay maaaring may kondisyon, sa pamamagitan ng pagkakatulad sa teknolohiya ng mga solid-state na device, na iniuugnay sa "single-layer" na epitaxy.
Ang isa sa mga opsyon para sa paglipat sa molecular electronics ay "hybrid" na teknolohiya, kapag ang "molecular elements" ay ginagamit gamit ang mga pamamaraan ng classical electronics. Ang isang halimbawa ng naturang pinagsamang teknolohiya ay ang nakabubuo na paggamit ng mga carbon nanotubes na iminungkahi ng IBM upang lumikha ng mga transistor na 500 beses na mas maliit kaysa sa mga modernong aparatong silikon. Bilang karagdagan, sa kawalan ng oxygen, nagagawa nilang mapaglabanan ang pag-init hanggang sa 1000°C.
Ang mga modernong paraan ng pagbabago at kontrol ng mga atomic na istruktura - atomic force microscopy (AFM) at scanning tunneling microscopy (STM) - ay maaaring matugunan ang mga teknolohikal na kinakailangan sa atomic level. Ngunit, sa kasamaang-palad, ang parehong AFM at STM ay sunud-sunod na mga pamamaraan na may hindi masyadong mataas na pagganap, at sa malapit na hinaharap ay gagamitin lamang sila bilang isang tool sa laboratoryo. Gayunpaman, sa tulong ng AFM at STM na unang matagumpay na nalikha ang mga molecular electronics device. Ginagawa rin ng mga pamamaraang ito na malutas ang pinakamahirap na problema ng pag-assemble ng mga molekular na elektronikong aparato - ang pagbuo ng mga contact. Ang mga teoretikal na modelo ng AFM at STM na mga paraan ng pagbuo at pagsukat ng istraktura ay ginagawa pa rin, at marami pang mga pagtuklas ang maaaring asahan dito. Gayunpaman, ang pagpapatupad ng mga pamamaraan ng molecular electronics na angkop para sa pag-unlad ng industriya ay isang bagay sa hinaharap.
KONGKLUSYON
Ang lahat ng nasa itaas ay nagpapakita na ang electronics ay nasa bingit ng isang "polimer" na rebolusyon. Sa susunod na tatlo hanggang limang taon, posibleng "i-print" ang electronics bilang wallpaper. Ang ganitong mga plastik na "wallpaper" ay gagamitin upang lumikha ng mga full-color na screen at display, solar batteries at puting LED lighting panel, electronic paper at marami pang iba. Ang mga bagong elektronikong produkto batay sa mga polymeric na materyales, na lilitaw sa susunod na dekada, ay magbabago sa mga kondisyon ng pagpapatakbo ng mga elektronikong kagamitan, palawakin ang mga posibilidad ng teknolohiya ng impormasyon, at lumikha ng mga kinakailangan para sa paglipat sa mga bagong prinsipyo ng organisasyon, edukasyon, buhay at entertainment . Ang gawain ng Russian electronics ay hindi "makaligtaan" ang tagumpay na ito at makisali sa pagbuo ng polymer electronics sa isang karapat-dapat na paraan.
Panitikan
Laser Focus World, 2001, v.37, no.3, p. 41–44.
Semiconductor International, 2000, v.23, blg. 8, p.46.
Semiconductor International, 2001, v.24, no.6, p.50.
Semiconductor International, 2001, v.24, blg. 8, p.40.
Solid State Technology, 2000, v.43, blg. 3, p. 63–77.
Photonics Spectra 2000, v.34, no.5, p.44.
Journal ng American Chemical Society, 2000, v.122, blg. 2, p. 339–347.
Dayuhang elektronikong teknolohiya, 2000, isyu 1, p. 66–72.
Artikulo para sa kumpetisyon na "bio/mol/text": Matagal nang pinangarap ng mga siyentipiko na gawing mga cyborg ang mga hayop at halaman na kinokontrol ng mga signal ng kuryente, at sinusubukan nilang gawin ito sa iba't ibang paraan. Kaya, mga 10 taon na ang nakalilipas, lumitaw ang isang bagong pang-agham na larangan - organic bioelectronics - kung saan ang mga electrically conductive polymers ay kumikilos bilang mga tagapamagitan sa pagitan ng mga nabubuhay na nilalang at mga computer. Remote control ng kulay ng rose leaf, artipisyal na neuron at pain point treatment - ang mga unang resulta ng triple alliance na ito ay kahanga-hanga na.
Sponsor ng Nominasyon - .
Ang pangkalahatang sponsor ng kumpetisyon, ayon sa aming crowdfunding, ay isang negosyante Konstantin Sinyushin, kung saan siya ay may malaking paggalang sa tao!
Ang Audience Choice Award ay na-sponsor ng Atlas.
Ang sponsor ng publikasyon ng artikulong ito ay si Andrey Alexandrovich Kiselev.
Ang lahat ng nabubuhay na organismo ay medyo robot o kompyuter. Tanging sa halip na ang karaniwang kuryente - mga electron na tumatakbo sa pamamagitan ng mga wire patungo sa labasan at likod - tayo ay kinokontrol ng mga nerve impulses, mga stream ng mga sisingilin na molekula na tinatawag na ions. At ang "mga pindutan" sa buhay na mga de-koryenteng circuit ay pinindot hindi ng mga daliri, ngunit sa pamamagitan ng mga espesyal na sangkap - neurotransmitters. Kapag ang kanilang konsentrasyon ay lumampas sa isang tiyak na limitasyon, ang isang kadena ng mga biochemical na reaksyon ay nagsisimula sa mga lamad ng cell ng mga neuron, na nagtatapos sa paggulo ng isang nerve impulse.
Ngayon sinusubukan ng mga siyentipiko na "pakasalan" ang mga computer sa loob natin gamit ang pamilyar na mga microcircuit ng silikon: alam na ng mga interface ng utak-computer kung paano makilala ang aktibidad ng mga nerve cell at i-convert ang mga ito sa makabuluhang mga utos para sa electronics. Kaya, gamit ang kapangyarihan ng pag-iisip, maaari kang maglaro ng mga simpleng laro, ilipat ang isang robotic prosthetic na braso, o kahit na kontrolin ang isang quadrocopter. Gayunpaman, ang lahat ng mga aparatong ito ay nagdurusa pa rin sa mga error at kamalian - hindi madaling tumawid sa mga electronic at ionic na alon sa isang aparato.
Ang "mga tagapagsalin" mula sa buhay na wika hanggang sa wika ng microcircuits ay maaaring mga electrically conductive polymers na nagsasagawa ng parehong uri ng kasalukuyang nang sabay-sabay (Fig. 1). Natuklasan noong 70s ng huling siglo, ang mga materyales na ito ay aktibong pinag-aralan ng maraming mga siyentipiko: ginamit ang mga ito upang gumawa ng mga transistor, solar cell, organic light emitting diodes (OLED) at iba pang mga organikong elektronikong aparato.
Figure 1. Schematic na representasyon ng organic ( sa kanan) at inorganic ( umalis) semiconductor na nakikipag-ugnayan sa isang electrolyte. Ang mga sukat ng mga sisingilin na ion ay mas malaki kaysa sa mga distansya sa pagitan ng mga atomo sa mga hindi organikong semiconductors, at samakatuwid ay imposible ang ionic na pagpapadaloy sa mga materyales na ito. Kasabay nito, ang mga katangian ng laki ng mga voids sa pagitan ng mga chain ng macromolecules ng conjugated polymers ay maihahambing sa mga laki ng hydrated ions, at samakatuwid ang ionic conductivity ay posible sa klase ng mga compound na ito.
Ngayon ang mga bentahe ng electrically conductive polymers - flexibility, simple at variability ng synthesis, pati na rin ang biocompatibility at ionic conductivity - ay sinusubukang gumamit ng organic bioelectronics - isang napakabata na larangan ng mga materyales sa agham, na mayroon nang ipinagmamalaki.
Diagnosis mula sa loob
Ang pagpapatakbo ng maraming mga interface ng utak-computer ay batay sa pag-record ng EEG: ang isang takip na may mga electrodes ay naayos sa ulo ng isang tao, kung saan, sa ilalim ng impluwensya ng mga ionic na alon na dumadaloy sa utak, ang kanilang sariling mga elektronikong alon ay lumitaw. Sa isang papel noong 2013, iminungkahi ng mga siyentipiko mula sa France ang paggamit ng mga organikong electrochemical transistors para sa parehong layunin.
Ang mga ordinaryong semiconductor transistors ay ang mga pangunahing bahagi ng lahat ng electrical logic circuit, isang uri ng electronic button na may tatlong contact. Ang medyo malaking kasalukuyang dumadaloy sa kanila mula sa isang pin patungo sa isa ay maaaring kontrolin ng isang maliit na signal (mas mababa ang kasalukuyang o boltahe sa kaso ng isang FET) na inilapat sa ikatlong pin. Sa pamamagitan ng pag-assemble ng maraming transistor sa isang circuit, posible na palakasin, i-attenuate at ibahin ang anyo ng anumang mga electrical signal o, sa madaling salita, iproseso ang impormasyon.
Ang mga organikong transistor ay gumagana sa katulad na paraan, kung saan naitala ng mga mananaliksik ang aktibidad ng epileptik sa mga live na daga ng laboratoryo. Ang ikatlong control pin sa transistor na ito ay gawa sa isang conductive polymer at direktang iniksyon sa utak ng daga. Binago ng polimer ang istraktura nito (at, bilang isang resulta, ang kondaktibiti nito) kasama ang mga pagbabago sa elektrikal na aktibidad ng mga selula ng nerbiyos, at bilang isang resulta, kahit na ang mga maliliit na pagbabago sa katangian sa mga alon ng ion sa "cyborg" na utak ay humantong sa mga kapansin-pansin na pagbabago sa kasalukuyang dumadaloy mula sa input contact ng transistor patungo sa output (Fig. 2). ).
Figure 2. sa vivo pagpaparehistro ng aktibidad ng elektrikal ng utak gamit ang mga organikong transistor. kulay rosas ang kulay ay nagpapakita ng pag-asa na kinuha sa tulong ng isang organikong electrochemical transistor, bughaw- plastik na elektrod, itim- metal na elektrod. Mangyaring tandaan na ang huling dalawang electrodes ay nagrerehistro ng isang de-koryenteng signal sa pamamagitan ng mga potensyal na jump, at ang transistor - sa pamamagitan ng kasalukuyang mga jumps sa isang electrically conductive channel.
Sa kanilang eksperimento, ipinakita ng mga Pranses na ginagawang posible ng mga organikong transistor na itala ang aktibidad ng elektrikal ng utak nang mas tumpak kaysa sa kanilang mga modernong inorganic na katapat. Sa mga eksperimento ng iba pang mga pang-agham na grupo, ang mga organikong transistor ay matagumpay na ginagamit upang kumuha ng ECG o, halimbawa, matukoy ang konsentrasyon ng lactic acid, glucose at iba pang biomolecules.
mga plastik na neuron
Ngayon, ang mga sakit sa neurological at psychiatric ay ginagamot pangunahin sa tulong ng mga gamot, ngunit maaaring napakahirap piliin ang kanilang dosis, ihatid ang gamot nang tumpak sa ilang mga cell at sa parehong oras ay isinasaalang-alang ang mga epekto nito sa iba't ibang mga proseso sa katawan. . Isang malaking pangkat ng mga Swedish scientist mula sa ilang institute ang nagmungkahi na lutasin ang mga problemang ito gamit ang parehong mga electrically conductive polymers, o sa halip, gamit ang isa pang organic bioelectronics device - isang organic electronic ion pump na may kakayahang mag-pump ng mga ions mula sa isang medium papunta sa isa pa.
Sa kanilang trabaho, pinag-aralan ng mga mananaliksik ang mga daga sa laboratoryo, kung saan una silang nagdulot ng sakit sa neuropathic (ang sanhi nito ay hindi isang panlabas na stimulus, ngunit ang nakakagambalang gawain ng mga neuron mismo), at pagkatapos ay ginagamot ito sa tulong ng isang point injection ng isang neurotransmitter. GABA (gamma-aminobutyric acid), na binabawasan ang pangangati ng central nervous system. Ang isang miniature na organic pump (mga 12 cm ang haba at 6 mm ang lapad) ay na-injected sa spinal cord ng mga daga, at ang reservoir nito ay napuno ng GABA (Fig. 3). Sa paggamit ng isang panlabas na boltahe ng kuryente, ang mga molekula ng GABA ay nagsimulang lumabas sa pamamagitan ng apat na ion-conducting polymer channel sa intercellular space (video 1).
Figure 3. Implantable organic electrochemical pump. A - isang larawan ng device, B - isang eskematiko na representasyon ng device, sa kaliwa - isang electrical contact, sa gitna - isang reservoir na may GABA, sa kanan - excretory channels. Ang kabuuang haba ng aparato ay 120 mm, ang diameter ng tangke ay 6 mm. C - apat na organic electrochemical outlet ay matatagpuan sa mga punto kung saan ang mga sanga ng sciatic nerve ay pumapasok sa spinal cord.
Video 1. Organoelectronic ion pump
Bilang isang resulta, nawala ang sakit sa mga daga (nasuri ito gamit ang isang tactile test: ang mga nababanat na sinulid ng iba't ibang paninigas ay dinala sa mga paa ng mga daga at sinusubaybayan ito simula sa kung anong presyon ang aalisin ng hayop sa paa), at walang mga epekto. sinusunod. Sa lahat ng iba pang paraan ng paggamot sa sakit na neuropathic na may GABA, ang gamot ay iniksyon sa spinal cord sa isang mataas na dosis, na ipinamamahagi sa buong sistema ng nerbiyos at, bilang karagdagan sa pagpigil sa sakit, ay humahantong sa mga karamdaman sa paglalakad, pagkahilo, at iba pang mga epekto. .
Parallel sa gawaing ito, ang parehong grupo ng mga mananaliksik ay gumawa ng unang polymer-based na artipisyal na neuron. Sa loob nito, ang ion pump ay pinagsama sa mga biosensor na sensitibo sa glutamic acid(ang pinakakaraniwang excitatory neurotransmitter) at acetylcholine(isang neurotransmitter na nagpapadala ng signal mula sa mga neuron patungo sa tissue ng kalamnan). Halimbawa, sa isa sa mga eksperimento, sinusubaybayan ng isang "plastic" na neuron ang antas ng glutamate sa isang Petri dish, at kapag nalampasan ang isang tiyak na threshold, isang kasalukuyang nasasabik dito, na nagbukas ng reservoir ng isang ion pump na naglabas ng acetylcholine. sa kapaligiran.
Ang gawain ng isang artipisyal na neuron ay halos kapareho sa kung paano gumagana ang mga tunay: ang isang nerve impulse ay nasasabik sa isa sa kanila at tumatakbo sa buong cell sa lugar ng pakikipag-ugnay sa isa pang neuron, ang glutamic acid ay inilabas doon, na, tulad ng dati. , pinindot ang isang pindutan at pinasisigla ang susunod na neuron (Larawan 4). Kaya, kasama ang kadena ng mga neuron, ang salpok ay umabot sa selula ng kalamnan, na nasasabik na hindi ng glutamic acid, ngunit ng acetylcholine. Ang plastic neuron na nilikha ng mga Swedes ay maaaring ulitin ang mga pagkilos na ito at magpadala ng mga signal sa ibang mga cell. Sa eksperimento, ito ay mga SH-SY5Y neuroblastoma cells, na ang pag-activate ay sinusubaybayan ng mga katangian na pagtaas sa konsentrasyon ng mga ion sa pagbubuklod ng mga acetylcholine receptors.
Figure 4. Ang pamamaraan para sa pag-convert ng isang kemikal na signal sa isang de-koryenteng isa at pabalik sa isang artipisyal na polymer neuron ay magkapareho sa scheme ng pagpapatakbo ng isang buhay na neuron. Biosensor ( kinakatawan sa berde) tumutugon sa pagtaas ng konsentrasyon ng isang neurotransmitter ( orange na tuldok), na bumubuo ng daloy ng elektron na nagpapasigla sa isang organikong electrochemical pump ( kinakatawan sa asul) naglalabas ng isa pang neurotransmitter ( asul na tuldok).
Mula sa mga elektronikong rosas hanggang sa pinakaberdeng enerhiya
Ang pananaliksik sa mga daga, daga at iba pang mga hayop sa laboratoryo ay dapat na iugnay sa mga komisyon sa etika, at samakatuwid ang pinakamapangahas na mga eksperimento sa organic bioelectronics ay mas madaling ilagay sa mga halaman. Kaya, sa pagtatapos ng 2015, ginawa ng parehong Swedish group ang unang cyborg rose. Totoo, hindi pa rin niya alam kung paano gumawa ng anumang bagay na kamangha-manghang - ni magbukas sa pagpindot ng isang pindutan sa control panel, ni baguhin ang kanyang kulay depende sa kahalumigmigan ng kapaligiran, o makuha ang mundo, ngunit pinamamahalaan pa rin ng mga mananaliksik upang gumawa ng isang bagay na kawili-wili.
Sa unang eksperimento, ang isang hiwa na rosas ay inilagay sa tubig na may isang electrically conductive polymer na natunaw, na tumaas sa tangkay at bumuo ng isang conductive channel sa rosas. Susunod, ang mga siyentipiko ay nagdala ng mga de-koryenteng contact sa mga dulo ng channel at nagpasok ng isang control electrode sa hawakan - isang gintong wire na pinahiran ng isang conductive polymer. Kaya isang uri ng organikong transistor ang mapupunta sa loob ng rosas. Kasabay nito, ang ilang mga control electrodes ay maaaring konektado sa isang channel nang sabay-sabay at isang simpleng logic circuit ay maaaring gawin, kung saan ang kasalukuyang dumadaloy lamang kapag ang ilang mga boltahe ng kontrol ay inilapat sa parehong mga gintong wire.
Sa pangalawang eksperimento, ang isang may tubig na solusyon ng isa pang electrically conductive polymer, na maaaring magbago ng kulay kapag ang isang panlabas na boltahe ay inilapat, ay pumped sa mga dahon ng rosas gamit ang isang syringe. Ang mga electrodes ay dinala sa dahon, ang kasalukuyang ay nakabukas at - voila: ang mga ugat ng dahon ay nakakuha ng isang mala-bughaw-berdeng tint. Ito ay ang polimer na iniksyon sa kanila na naging asul mula sa walang kulay (video 2). Kasabay nito, nang maalis ang pag-igting, ang dahon ay muling naging isang malusog na berdeng kulay.
Kaya ipinakita ng mga siyentipiko na sa tulong ng mga simpleng pamamaraan sa loob ng mga halaman, maaari kang lumikha ng mga simpleng electronic circuit. Sa hinaharap, gagawin nitong posible na kontrolin ang kanilang pisyolohiya at, halimbawa, makamit ang mas mataas na ani nang walang genetic modification, o kahit na gumawa ng maliliit na power plant gamit ang enerhiya ng photosynthesis. Siyempre, mukhang masyadong mahal sa ngayon, ngunit balang araw gagawing posible ng mga organikong bioelectronics na teknolohiya ang point-by-point na kontrol sa bawat planta, at hindi ang buong populasyon nang sabay-sabay.
Bioelectronic na hinaharap
Ang mga unang eksperimento ay nagpakita na ang mga organikong bioelectronic na aparato ay lubos na may kakayahang tumanggap, magpadala at magproseso ng mga bioelectrical na signal. Anong susunod? Ngayon natutunan na nila kung paano gumawa ng mga polymeric na materyales na biocompatible at biodegradable, at samakatuwid ang anumang buhay na organismo ay maaaring literal na mapuno ng mga chips batay sa kanila. Ang natitira na lang ay turuan sila kung paano wireless na magpadala ng impormasyon, at sa loob ng katawan ng tao posible na lumikha ng isang lokal na network ng mga sensor na patuloy na sinusubaybayan ang iba't ibang mga medikal na tagapagpahiwatig tulad ng mga antas ng glucose, rate ng puso at aktibidad ng elektrikal ng mga napiling neuron, at pagkatapos ay ipadala ang kanilang mga senyas sa itinanim na mga medikal na robot batay sa parehong mga ionic sensor. mga bomba upang simulan nilang harapin ang problema.
Kung hindi mo gusto ang ideya na maging tulad ng isang cyborg, maaari mo lamang lunukin ang isang tablet na may built-in na nababaluktot na microcircuit - sa pamamagitan ng kaasiman, temperatura at konsentrasyon ng iba't ibang mga sangkap, kakalkulahin nito nang eksakto kung saan ilalabas ang gamot, at, sa paggawa ng mabuting gawa, ito ay matutunaw sa loob natin tulad ng ilang piraso ng asukal.
Panimula
Noong 1965, sa madaling araw ng panahon ng kompyuter, hinulaan ni Gordon Moore, direktor ng pananaliksik sa Fairchild Semiconductors, na ang bilang ng mga transistor sa isang chip ay doble bawat taon. Ito ay 35 taon na at ang Batas ni Moore ay may bisa pa rin. Totoo, sa paglipas ng panahon, ang pagsasanay ng paggawa ng microelectronic ay gumawa ng isang bahagyang pagbabago dito: ngayon ay pinaniniwalaan na ang pagdodoble ng bilang ng mga transistor ay nangyayari tuwing 18 buwan. Ang paghina ng paglago na ito ay sanhi ng pagiging kumplikado ng arkitektura ng microchip. Gayunpaman, para sa teknolohiya ng silikon, ang hula ni Moore ay hindi maaaring manatili magpakailanman.
Ngunit may isa pa, pangunahing limitasyon sa "batas ni Moore". Ang pagtaas sa density ng mga elemento sa chip ay nakamit sa pamamagitan ng pagbawas ng kanilang laki. Kahit ngayon, ang distansya sa pagitan ng mga elemento ng processor ay maaaring 0.13x10 -6 metro (ang tinatawag na 0.13-micron na teknolohiya). Kapag ang laki ng mga transistor at ang distansya sa pagitan ng mga ito ay umabot sa ilang sampu-sampung nanometer, ang tinatawag na mga epekto ng laki ay magkakabisa - mga pisikal na phenomena na ganap na nakakagambala sa pagpapatakbo ng mga tradisyonal na aparatong silikon. Bilang karagdagan, na may pagbaba sa kapal ng dielectric sa mga transistor na epekto sa larangan, ang posibilidad ng mga electron na dumaan dito ay tumataas, na pinipigilan din ang normal na operasyon ng mga aparato.
Ang isa pang paraan upang mapabuti ang pagganap ay ang paggamit ng iba pang semiconductors sa halip na silikon, tulad ng gallium arsenide (GaAs). Dahil sa mas mataas na kadaliang mapakilos ng mga electron sa materyal na ito, posibleng dagdagan ang bilis ng mga device sa pamamagitan ng isang order ng magnitude. Gayunpaman, ang mga teknolohiya ng gallium arsenide ay mas kumplikado kaysa sa mga silikon. Samakatuwid, kahit na malaking pondo ang namuhunan sa pag-aaral ng GaA sa nakalipas na dalawang dekada, ang mga pinagsama-samang circuit batay dito ay pangunahing ginagamit sa larangan ng militar. Dito, ang kanilang mataas na gastos ay binabayaran ng mababang paggamit ng kuryente, mataas na bilis at paglaban sa radiation. Gayunpaman, ang pagbuo ng mga device batay sa GaAs ay nananatiling napapailalim sa mga limitasyon dahil sa parehong pangunahing pisikal na prinsipyo at teknolohiya sa pagmamanupaktura.
Iyon ang dahilan kung bakit ngayon ang mga espesyalista sa iba't ibang larangan ng agham at teknolohiya ay naghahanap ng mga alternatibong paraan ng karagdagang pag-unlad ng microelectronics. Ang isang paraan upang malutas ang problema ay inaalok ng molecular electronics.
MOLECULAR ELECTRONICS - TEKNOLOHIYA SA HINAHARAP.
Ang posibilidad ng paggamit ng mga molekular na materyales at indibidwal na molekula bilang mga aktibong elemento ng electronics ay matagal nang nakakaakit ng atensyon ng mga mananaliksik sa iba't ibang larangan ng agham. Gayunpaman, kamakailan lamang, kapag ang mga hangganan ng mga potensyal na posibilidad ng teknolohiya ng semiconductor ay naging praktikal, ang interes sa molekular na ideolohiya ng pagbuo ng mga pangunahing elemento ng electronics ay lumipat sa mainstream ng aktibo at naka-target na pananaliksik, na ngayon ay naging isa sa ang pinakamahalaga at promising pang-agham at teknikal na mga lugar ng electronics.
Ang karagdagang mga prospect para sa pagpapaunlad ng electronics ay nauugnay sa paglikha ng mga device na gumagamit ng quantum phenomena, kung saan ang account ay napupunta na sa mga yunit ng mga electron. Kamakailan, malawakang isinagawa ang teoretikal at eksperimentong pag-aaral ng mga artipisyal na nilikhang mababang-dimensional na istruktura; mga quantum layer, wire at tuldok. Inaasahan na ang tiyak na quantum phenomena na naobserbahan sa mga sistemang ito ay maaaring maging batayan para sa paglikha ng isang panimula na bagong uri ng mga elektronikong aparato.
Ang paglipat sa antas ng quantum ay walang alinlangan na isang bago, mahalagang yugto sa pag-unlad ng electronics, dahil nagbibigay-daan sa iyo na magtrabaho kasama ang halos solong mga electron at lumikha ng mga elemento ng memorya kung saan ang isang elektron ay maaaring tumugma sa isang piraso ng impormasyon. Gayunpaman, ang paglikha ng mga artificial quantum structures ay isang napakahirap na teknolohikal na gawain. Kamakailan lamang, naging malinaw na ang pagpapatupad ng naturang mga istraktura ay nauugnay sa mahusay na mga paghihirap sa teknolohiya kahit na lumilikha ng mga solong elemento, at ang hindi malulutas na mga paghihirap ay lumitaw kapag lumilikha ng mga chips na may multi-milyong elemento. Ang paraan sa labas ng sitwasyong ito, ayon sa maraming mga mananaliksik, ay ang paglipat sa isang bagong teknolohiya - molecular electronics.
Ang pangunahing posibilidad ng paggamit ng mga indibidwal na molekula bilang mga aktibong elemento ng microelectronics ay ipinahayag ni Feynman noong 1957. Nang maglaon, ipinakita niya na ang mga quantum mechanical na batas ay hindi isang balakid sa paglikha ng atomic-sized na mga elektronikong aparato, hangga't ang density ng pag-record ng impormasyon ay hindi lalampas sa 1 bit/atom. Gayunpaman, sa pagdating lamang ng mga gawa nina Carter at Aviram ay nagsimulang makipag-usap tungkol sa molecular electronics bilang isang bagong interdisciplinary field, kabilang ang physics, chemistry, microelectronics at computer science, at naglalayong ilipat ang microelectronics sa isang bagong base ng elemento - molecular electronic device.
Ito ay tiyak na nagmumungkahi ng isang pagkakatulad sa kasaysayan ng pagbuo ng mga precision time device, na nawala mula sa mga mekanikal na chronometer gamit ang iba't ibang uri ng mga pendulum, sa pamamagitan ng mga quartz na orasan batay sa solid state resonances, at sa wakas, ngayon ang pinakatumpak na mga orasan ay gumagamit ng mga intramolecular effect sa ammonia mga molekula, atbp. Ang electronics ay umuunlad sa katulad na paraan, na nawala mula sa mekanikal na mga electromagnetic relay at vacuum tubes patungo sa solid-state na mga transistor at microcircuits, at ngayon ay umabot na ito sa threshold na higit pa sa larangan ng teknolohiyang molekular.
Ito ay hindi nagkataon na ang pangunahing atensyon ay nakatuon sa mga sistema ng molekular. Una, ang isang molekula ay isang perpektong istruktura ng quantum na binubuo ng mga indibidwal na atomo, ang paggalaw ng mga electron na kasama nito ay tinutukoy ng mga batas ng quantum chemical at ang natural na limitasyon ng miniaturization. Ang isa pa, hindi gaanong mahalagang tampok ng teknolohiyang molekular ay ang paglikha ng naturang mga istrukturang quantum ay lubos na pinadali ng katotohanan na ang kanilang paglikha ay batay sa prinsipyo ng pagpupulong sa sarili. Ang kakayahan ng mga atomo at molekula sa ilalim ng ilang mga kundisyon na kusang pagsamahin sa paunang natukoy na mga pormasyon ng molekular ay isang paraan ng pag-aayos ng mga mikroskopikong istruktura ng quantum; Ang operasyon sa mga molekula ay paunang tinutukoy ang paraan ng kanilang paglikha. Ito ay ang synthesis ng isang molecular system na ang unang pagkilos ng self-assembly ng mga kaukulang device. Nakamit nito ang pagkakakilanlan ng mga pinagsama-samang ensemble at, nang naaayon, ang pagkakakilanlan ng mga sukat ng mga elemento at, sa gayon, ang pagiging maaasahan at kahusayan ng mga proseso ng quantum at ang paggana ng mga molekular na aparato.
Mula sa simula ng pag-unlad ng molekular na diskarte sa microelectronics, ang tanong ng mga pisikal na prinsipyo ng paggana ng mga molekular na elektronikong aparato ay nanatiling bukas. Samakatuwid, ang mga pangunahing pagsisikap ay nakatuon sa kanilang paghahanap, na ang pangunahing atensyon ay binabayaran sa mga solong molekula o molekular na ensemble. Sa kabila ng malaking bilang ng mga gawa sa direksyong ito, ang praktikal na pagpapatupad ng mga molecular device ay malayo sa kumpleto. Ang isa sa mga dahilan para dito ay, lalo na sa unang panahon ng pagbuo ng molekular na electronics, isang malakas na diin ang inilagay sa gawain ng mga indibidwal na molekula, ang paghahanap at paglikha ng mga bitable na molekula na ginagaya ang mga katangian ng pag-trigger. Siyempre, ang diskarte na ito ay talagang kaakit-akit sa mga tuntunin ng miniaturization, ngunit nag-iiwan ito ng maliit na pagkakataon na ang mga molekular na elektronikong aparato ay maaaring malikha sa malapit na hinaharap.
Ang pagbuo ng isang bagong diskarte sa microelectronics ay nangangailangan ng solusyon ng isang bilang ng mga problema sa tatlong pangunahing mga lugar: ang pagbuo ng mga pisikal na prinsipyo para sa paggana ng mga elektronikong aparato; synthesis ng mga bagong molekula na may kakayahang mag-imbak, magpadala at magbago ng impormasyon; pagbuo ng mga pamamaraan para sa pag-aayos ng mga molekula sa isang supramolecular ensemble o isang molekular na elektronikong aparato.
Sa kasalukuyan, ang isang masinsinang paghahanap ay isinasagawa para sa mga konsepto ng pag-unlad ng molecular electronics at ang mga pisikal na prinsipyo ng paggana, at ang mga pundasyon para sa pagbuo ng mga pangunahing elemento ay binuo. Ang molecular electronics ay nagiging isang bagong interdisciplinary field ng science na pinagsasama ang solid state physics, molecular physics, organic at inorganic chemistry at naglalayong ilipat ang mga electronic device sa isang bagong element base. Upang malutas ang mga itinakdang gawain at ituon ang mga pagsisikap ng mga mananaliksik na nagtatrabaho sa iba't ibang larangan ng kaalaman, ang mga sentro ng molecular electronics, pinagsamang mga laboratoryo ay nilikha sa lahat ng mga industriyalisadong bansa, ang mga internasyonal na kumperensya at seminar ay ginaganap.
Ngayon, at tila, at sa malapit na hinaharap, mahirap pag-usapan ang tungkol sa paglikha ng mga molekular na elektronikong aparato na tumatakbo batay sa paggana ng mga solong molekula, ngunit maaari talaga nating pag-usapan ang paggamit ng mga sistema ng molekular kung saan ang mga intramolecular effect ay may. isang macroscopic manifestation. Ang ganitong mga materyales ay maaaring tawaging "matalinong materyales". Ang yugto ng paglikha ng "matalinong mga materyales", i.e. ang yugto ng functional molecular electronics, isang natural at kinakailangang panahon sa pag-unlad ng electronics, ay isang tiyak na yugto sa paglipat mula sa semiconductor hanggang sa molekular na teknolohiya. Ngunit posibleng mas mahaba ang panahong ito kaysa sa iniisip natin ngayon. Tila mas makatotohanan, lalo na sa mga unang yugto ng pag-unlad ng molecular electronics, na gamitin ang mga macroscopic na katangian ng mga molecular system, na matutukoy sa pamamagitan ng mga structural reorganization na nagaganap sa antas ng mga indibidwal na molecular ensembles. Ang pisikal na prinsipyo ng paggana ng naturang mga elektronikong aparato ay dapat mag-alis ng mga dimensyon na paghihigpit, kahit hanggang sa laki ng malalaking molekular na pormasyon. Mula sa punto ng view ng electronics at ang potensyal na posibilidad ng pag-dock ng mga molecular device sa kanilang mga semiconductor counterparts, mas mainam na harapin ang mga molecular system na nagbabago ng kanilang electronic conductivity sa ilalim ng mga panlabas na impluwensya, lalo na sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field.
Ang mga ideya ng molecular electronics ay hindi binabawasan sa isang simpleng pagpapalit ng isang semiconductor transistor na may isang molekular, kahit na ang partikular na problemang ito ay malulutas din. Ang pangunahing layunin, gayunpaman, ay upang lumikha ng mga kumplikadong sistema ng molekular na sabay-sabay na nagpapatupad ng ilang magkakaibang mga epekto na nagsasagawa ng isang kumplikadong gawain. Natural, una sa lahat, na isama ang gawain ng paglikha ng isang unibersal na elemento ng memorya bilang pinakamahalagang bahagi ng anumang aparato sa pag-compute ng impormasyon sa mga gawain ng ganitong uri. Tila napakalinaw na ang potensyal ng molecular electronics ay ipapakita sa isang mas malaking lawak sa pamamagitan ng paglikha ng mga neural network na binubuo ng mga neuron at electroactive synapses na nagkokonekta sa kanila. Ang paglikha sa pamamagitan ng molecular electronics ng mga artipisyal na neuron, iba't ibang uri ng mga sensor na kasama sa isang solong network, ay magbubukas ng daan sa pagsasakatuparan ng lahat ng potensyal na likas sa neurocomputer ideology, ay magbibigay-daan sa paglikha ng isang panimula ng bagong uri ng impormasyon at computing system at lumapit sa paglutas ng problema sa paglikha ng artificial intelligence.
Bacteriorhodopsin: istraktura at pag-andar.
Ang molecular electronics ay tinukoy bilang pag-encode (pagre-record), pagproseso at pagkilala (pagbasa) ng impormasyon sa antas ng molekular at macromolecular. Ang pangunahing bentahe ng molecular approximation ay nakasalalay sa posibilidad ng disenyo ng molekular at paggawa ng mga device "mula sa ibaba pataas", i.e. atom sa pamamagitan ng atom o fragment sa pamamagitan ng fragment, ang mga parameter ng mga aparato ay tinutukoy ng organic synthesis at genetic engineering na pamamaraan. Ang dalawang kinikilalang bentahe ng molecular electronics ay isang makabuluhang pagbawas sa laki ng device at pagkaantala sa pagpapalaganap ng gate.
Ang bioelectronics, na isang sangay ng molecular electronics, ay nagsasaliksik sa posibilidad ng paggamit ng mga biopolymer bilang mga module na kinokontrol ng liwanag o mga electrical impulses sa computer at optical system. Ang pangunahing kinakailangan para sa mga malamang na kandidato sa isang malaking pamilya ng mga biopolymer ay dapat nilang baligtarin ang kanilang istraktura bilang tugon sa ilang pisikal na epekto at bumuo ng hindi bababa sa dalawang discrete na estado na naiiba sa madaling masusukat na pisikal na katangian (halimbawa, mga spectral na parameter).
Kaugnay nito, ang mga protina ay may malaking interes, ang pangunahing pag-andar kung saan ay nauugnay sa pagbabagong-anyo ng liwanag na enerhiya sa enerhiya ng kemikal sa iba't ibang mga sistema ng photosynthetic. Ang pinaka-malamang na kandidato sa kanila ay isang light-dependent proton pump - bacteriorhodopsin (BR) mula sa isang halophilic microorganism. Halobacterium salinarum(dati Halobacterium halobium), natuklasan noong 1971.
Ang Bacteriorhodopsin, isang retinal-containing proton transport generator, ay isang transmembrane protein ng 248 amino acid na may molekular na timbang na 26 kDa, na tumatagos sa lamad sa anyo ng pitong a- mga spiral; Ang N- at C-terminal ng polypeptide chain ay matatagpuan sa magkabilang panig ng cytoplasmic membrane: ang N-terminus ay nakaharap palabas, at ang C-terminus ay nakaharap sa loob ng cell (Fig. 1, 2).
Fig.1.
BR model sa mga elemento ng pangalawang istraktura. Ang mga amino acid ay nahiwalay
kasangkot sa transportasyon ng proton: mga residue ng aspartic acid sa mga bilog,
parisukat na residue ng arginine. Sa Lys-216 (K-216) isang Schiff base (SB) ay nabuo.
Ipinapakita ng arrow ang direksyon ng transportasyon ng proton.
Chromophore BR - protonated retinal aldimine na may a Ang -amino group ng Lys-216 residue ay matatagpuan sa hydrophobic na bahagi ng molekula. Pagkatapos ng pagsipsip ng isang light quantum sa panahon ng photocycle, ang retinal ay nag-isomerize mula sa lahat-E hanggang 13Z-hugis. Ang microenvironment ng protina ng chromophore ay maaaring ituring bilang isang receptor na may pagtitiyak ng substrate para sa lahat-E /13Z-retinal, na nag-catalyze sa isomerization na ito sa temperatura ng kuwarto. Bilang karagdagan, ang ilang mga amino acid ay responsable para sa pagsugpo ng mga isomerization maliban sa lahat-E /13Z, halimbawa mula sa lahat-E- hanggang 7Z-, 9Z-, 11Z-retinal. Ang natitirang bahagi ng polypeptide chain ay nagbibigay ng proton transport channel o pinoprotektahan ang photochromic internal group mula sa mga impluwensya sa kapaligiran.
Ang mutual topography ng mga elemento ng pangalawang istraktura na nabuo ng BR polypeptide chain pagkatapos ng pagsipsip ng isang light quantum ng chromophore molecule ay nagbabago, na nagreresulta sa pagbuo ng isang channel para sa transmembrane transfer ng mga proton mula sa cytoplasm patungo sa panlabas na kapaligiran. Gayunpaman, ang mekanismo ng molekular ng transportasyon na umaasa sa liwanag ay hindi pa rin alam.
Fig.2. Schematic model ng three-dimensional (spatial) na istraktura ng BR Seven a -ang mga helice ay bumubuo ng isang chromophore cavity at isang transmembrane proton transfer channel.
Ang BR ay nakapaloob sa lamad ng cell H. salinarum- halophilic archaebacteria na nabubuhay at dumarami sa mga salt marshes at lawa, kung saan ang konsentrasyon ng NaCl ay maaaring lumampas sa 4 M, na 6 na beses na mas mataas kaysa sa tubig dagat (~ 0.6 M). Ang natatanging protina na ito ay sa maraming paraan katulad ng visual protein rhodopsin, bagaman ang kanilang mga physiological function ay iba. Habang gumaganap ang visual rhodopsin bilang pangunahing photoreceptor na nagbibigay ng madilim na paningin sa karamihan ng mga vertebrates, ang pisyolohikal na papel ng BR ay upang paganahin ang halobacteria na kumilos bilang facultative anaerobes kapag ang bahagyang presyon ng oxygen sa kapaligiran ay mababa. Ang protina ay gumaganap bilang isang light-dependent proton pump, na nagsisiguro sa pagbuo ng isang electrochemical gradient ng mga proton sa ibabaw ng cell membrane, na, naman, ay nagsisilbing mag-imbak ng enerhiya. Ang pangunahing gawaing ginawa ng gradient ay ang synthesis ng ATP sa pamamagitan ng anaerobic (photosynthetic) phosphorylation at, sa kasong ito, ay isang klasikong halimbawa ng chemiosmotic hypothesis ni Mitchell ng oxidative phosphorylation. Kapag walang ilaw at mataas ang partial pressure ng oxygen, bumabalik ang bacteria sa aerobic oxidative phosphorylation.
Mga cell H. salinarum naglalaman din ng dalawang tinatawag na sensory rhodopsin (SR I at SR II), na nagbibigay ng positibo at negatibong phototaxis. Iba't ibang wavelength ang binabasa ng CP I at CP II bilang mga molekula ng detektor, na nagdudulot ng kaskad ng mga signal na kumokontrol sa flagellar motor ng bacterium. Sa tulong ng elementarya na prosesong ito ng light perception, ang mga microorganism ay nakapag-iisa na lumipat sa liwanag ng isang angkop na komposisyon ng parang multo. Bilang karagdagan, ang mga cell ay may halorhodopsin (GH), na isang light-dependent pump ng Cl - ions. Ang pangunahing tungkulin nito ay ang pagdadala ng mga chloride ions sa cell, na patuloy na nawawala ng bacterium, na gumagalaw sa direksyon mula sa loob hanggang sa labas sa ilalim ng pagkilos ng electric field na nilikha ng BR. Ang mekanismo ng pagkilos ng GR ay hindi malinaw. Ipinapalagay na ang Cl - ay nagbubuklod sa positibong sisingilin na quaternary nitrogen ng protonated Schiff base, at ang isomerization ng retinal mula sa lahat-E sa 13Z-form na nagiging sanhi ng paggalaw ng nitrogen na ito kasama ang Cl ion na nakakabit dito - mula sa input hanggang sa output Cl - - conducting path.
Fig.3. Isang seksyon ng purple membrane (top view).
Ang BR ay naisalokal sa mga lugar ng mga lamad ng cell H. salinarum sa anyo ng mga lilang lamad (PM), na bumubuo ng dalawang-dimensional na kristal na may hexagonal na sala-sala. Ang mga lugar na ito ay naglalaman ng protina mismo, ilang mga lipid, carotenoids at tubig (Larawan 3). Ang mga ito ay karaniwang hugis-itlog o bilog na may average na diameter na humigit-kumulang 0.5 µm at naglalaman ng humigit-kumulang 25% na lipid at 75% na protina. Ang PM ay lumalaban sa sikat ng araw, pagkakalantad sa oxygen, temperatura na higit sa 80ºC (sa tubig) at hanggang 140ºC (tuyo), pH mula 0 hanggang 12, mataas na lakas ng ionic (3 M NaCl), pagkilos ng karamihan sa mga protease, sensitibo sa mga halo ng polar mga organikong solvent na may tubig, ngunit lumalaban sa mga non-polar solvents tulad ng hexane. Ang malaking praktikal na kahalagahan ay ang umiiral na posibilidad ng pag-embed ng PM sa mga polymer matrice nang walang pagkawala ng mga katangian ng photochemical.
Ang light-induced proton transport ay sinamahan ng ilang cyclic spectral na pagbabago sa BR, ang kabuuan nito ay tinatawag na photocycle (Fig. 4). Ang tatlumpung taon ng pananaliksik ay humantong sa isang medyo detalyadong pag-unawa sa photocycle, ngunit ang mga detalye ng transportasyon ng proton ay pinag-aaralan pa rin.
Ang photochemical cycle ng BR ay binubuo ng mga indibidwal na intermediate, na maaaring matukoy kapwa sa pamamagitan ng absorption maxima at ng mga kinetics ng pagbuo at pagkabulok. Ipinapakita ng Figure 4 ang isang pinasimple na modelo ng BR photocycle.
Fig.4. Photocycle BR.
Ang mga yugto ng photochemical at thermal ay ipinapakita bilang makapal at manipis na mga arrow, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga patayong simbolo ay nagpapahiwatig lahat-E-conformation ng retinal (intermediates B at O), mga pahilig na simbolo - sa 13Z-conformation. Sa dilim, nagiging 1:1 mixture ang BR D at B, ang halo na ito ay tinatawag na dark-adapted BR. Kapag ang BR ay iluminado, magaganap ang light adaptation, i.e. paglipat sa ground state B. Mula doon, magsisimula ang photocycle, na humahantong sa transportasyon ng isang proton sa buong lamad. Sa panahon ng paglipat L sa M tumatagal ng humigit-kumulang 40 μs, ang Schiff base ay deprotonated at ang Asp85 ay nagiging protonated. Mula doon, ang proton ay napupunta sa labas ng extracellular na bahagi ng proton channel. Sa panahon ng paglipat M sa N Ang aldimine ay reprotonated. Ang nalalabi ng Asp96 ay kumikilos bilang isang donor ng proton. Ang Asp96 ay reprotonated sa pamamagitan ng cytoplasmic proton hemichannel. Habang ang lahat ng pagbabago sa pagitan ng mga intermediate ay nababaligtad, ang paglipat mula sa M I sa M II ay pinaniniwalaan na ang pangunahing hindi maibabalik na hakbang sa photocycle. Sa panahon ng paglipat na ito, ang nitrogen ng base ng Schiff ay nagiging hindi naa-access sa extracellular na bahagi ng proton channel, ngunit sa cytoplasmic half-channel lamang, na nauugnay sa mga pagbabago sa conformational sa molekula ng protina.
Ang mga katangian ng physicochemical ng mga intermediate ay nailalarawan sa pamamagitan ng wavelength ng kanilang absorption maxima at ang halaga ng tiyak na molar extinction coefficient. Ang protonation ng SB at ang configuration ng retinylidene residue ay nakakaapekto sa magnitude ng absorption maxima. Sa panahon ng BR photocycle, maraming pagbabago sa conformational na umaasa sa temperatura ang nangyayari sa protina, kaya ang pagbuo ng karamihan sa mga intermediate ay maaaring pigilan sa pamamagitan ng paglamig.
Bilang karagdagan sa pangunahing photocycle, mayroong dalawang estado na maaaring artipisyal na sapilitan. Sa mga intermediate P at Q retinal conformation 9Z. Nakamit ito pagkatapos ng photochemical excitation lahat-E-retinal kapag Asp85 ay protonated sa parehong oras. Ito ay maaaring makamit sa wild-type na BR sa mababang pH o deionization (pagbuo ng tinatawag na asul na lamad), ngunit ang mga paghahandang ito ay hindi matatag. Ang isang alternatibong diskarte ay palitan ang Asp85 ng isang amino acid na may ibang halaga ng pKa na nananatiling hindi sinisingil sa pH ng interes, o ganap na alisin ang pangkat ng carboxyl sa pamamagitan ng mutagenesis na nakadirekta sa site. Ang katatagan ng naturang mutant blue membrane ay mas mataas.
Ang mga natatanging katangian ng bacteriorhodopsin ay nagbibigay ng isang malawak na hanay ng mga teknikal na aplikasyon kung saan maaari itong magamit, gayunpaman, ang mga optical lamang ang kasalukuyang komersyal na magagawa, dahil ang kanilang pagsasama sa modernong mga teknikal na sistema ay ang pinakasimpleng.
Ang mga optical application ay batay sa paggamit ng mga BR films - mga polymer matrice ng iba't ibang komposisyon na may mga molekula ng protina na kasama sa kanila. Sa kauna-unahang pagkakataon sa mundo, ang mga naturang pelikula batay sa wild-type na BR ay nakuha at pinag-aralan sa ating bansa sa loob ng balangkas ng proyektong "Rhodopsin"; Noong 1980s, ang pagiging epektibo at mga prospect ng paggamit ng mga naturang materyales, na tinatawag na "Biochrome", bilang mga photochromic na materyales at isang daluyan para sa holographic recording ay ipinakita.
Ang malaking interes ay ang posibilidad ng pag-iiba-iba ng mga photochemical na katangian ng mga pelikulang BR:
a) pagpapalit ng natural na chromophore na may binagong isa;
b) mga impluwensyang kemikal (pisiko-kemikal);
c) mga pagpapalit ng punto ng ilang mga residue ng amino acid sa pamamagitan ng mga pamamaraan ng genetic engineering.
Ang mga nasabing binagong materyales ay maaaring magkaroon ng mahahalagang partikular na katangian, na magpapasiya sa kanilang paggamit bilang base ng elemento ng isang biocomputer.
molekula ng pag-iisip
Sa mga nagdaang taon, ang mga siyentipiko sa maraming bansa ay bumalik sa luma at simpleng ideya ng isang "kemikal" na computer kung saan ang mga kalkulasyon ay ginagawa ng mga indibidwal na molekula. Sa nakalipas na taon, ang mga mananaliksik mula sa ilang mga laboratoryo nang sabay-sabay ay nakakuha ng napakatalino na mga resulta sa lugar na ito na nangangako na radikal na baguhin ang sitwasyon.
Nakamit ng mga siyentipiko ang mahusay na tagumpay sa pagtatrabaho sa mga molekula ng pseudorotoxan (ipinapakita ang mga ito sa Fig. 1).
Nagawa nilang magkasya ang gayong molekula, na may hugis ng isang singsing, sa isang axis - isang linear na molekula. Upang maiwasan ang paglukso ng singsing mula sa axis, ang mga malalaking molekular na fragment ay nakakabit sa mga dulo nito, na gumaganap ng papel na "mga mani" (iba't ibang mga grupo ng donor ang ginamit sa kapasidad na ito). Kapag tumutugon sa isang acid (H+) o isang base (B), ang singsing ay maaaring mag-slide mula sa isang dulo ng axis patungo sa isa, "lumipat" sa estado ng kemikal. Nakakatawa na, sa prinsipyo, sa antas ng molekular, ang isang mekanikal na aparato ay muling nilikha, na halos kapareho sa koneksyon ng mga tungkod at gulong sa una, pinaka-primitive, mga aparato sa pag-compute noong ika-17 siglo (gayunpaman, kung nais mo, maaari mo ring tingnan ang pinakasimpleng clerical abacus sa molecular structure na ito, na may isang buko sa bawat sanga).
Ang eleganteng chemical switch molecule na ito ay pinag-aralan noong unang bahagi ng 90s, gayunpaman, para sa praktikal na pagpapatupad ng ideya, kailangan pa ring makabuo ng mga pamamaraan para sa pagsasama-sama at pagkontrol sa mga arrays ng mga minimicrodiode na ito. Ang pagkakaroon ng paglikha ng isang monolayer ng magkatulad na oriented na mga molekula ng ganitong uri sa ibabaw ng metal (ang napakahirap na gawaing ito ay nalutas gamit ang pinakabagong nanotechnological self-assembly na pamamaraan), ang mga siyentipiko ay nagdeposito ng pinakamanipis na layer ng ginto dito at nakagawa na ng mga primitive na prototype ng logic gate sa batayan na ito.
Pagkalipas ng ilang buwan, isang pinagsamang grupo ng Mark Reid at James Tour (mula sa Yale at Rice Universities) ang nagpakita ng isa pang klase ng switch molecule sa publiko. Ang mga resulta ay napakaganda na ang magazine na "Scientific American" (Hunyo 2000) ay naglagay pa sa pabalat ng anunsyo na "The Birth of Molecular Electronics" (Gusto kong idagdag - sa wakas!). Tulad ng isinulat ng isa sa mga may-akda na may pinipigilang pagmamataas: "Kami ay lumikha ng isang molekula na may variable na kondaktibiti ng kuryente, na maaaring makaipon ng mga electron sa aming utos, iyon ay, upang gumana bilang isang aparato sa imbakan."
Una sa lahat, ang James Tour, gamit ang isang espesyal na pamamaraan, ay nag-synthesize ng isang molecular chain ng benzene-1,4-dithiolate unit na 14 nanometer ang haba. Ang mga grupo ay ipinakilala dito na kumukuha ng mga electron kung ang molekula ay "nasa ilalim ng pag-igting." Ang pinakamahirap na problema, na nalampasan din, ay ang switch ay dapat na isang reversible chemical process. Para sa isang molekula na gumana bilang isang elemento ng memorya, dapat itong ituro hindi lamang upang makuha ang mga electron, ngunit upang hawakan lamang ang mga ito para sa isang naibigay na oras. Sa mahigpit na pagsasalita, ito ang tiyak na pangunahing tagumpay ng Reed at Tour kasama ang mga kasamahan.
Ang isang electrochemical (sa pinakamahigpit at pinakaliteral na kahulugan ng termino!) ay ipinapakita sa fig. 2 (kaliwang bahagi). Ito ay isang kadena ng tatlong singsing na benzene, sa gitna kung saan ang mga pangkat ng NO 2 at NH 2 ay nakakabit mula sa magkabilang panig (naka-highlight sa kulay sa figure). Ang ganitong asymmetric molecular configuration ay lumilikha ng isang electron cloud ng isang kumplikadong hugis, na nagreresulta sa isang nakakagulat na maganda at pangunahing mahalagang pisikal na epekto para sa paglutas ng problema: kapag ang isang patlang ay inilapat, ang molekula ay umiikot, ang paglaban nito ay nagbabago, at nagsisimula itong pumasa sa kasalukuyang ( kanang bahagi ng pigura). Kapag inalis ang field, umiikot ang molekula sa tapat na direksyon at babalik sa orihinal nitong estado. Ang switch batay sa prinsipyong ito ay isang linear chain ng humigit-kumulang 1,000 nitrobenzenethiol molecule na matatagpuan sa pagitan ng dalawang metal contact. Bukod dito, ang mga sukat gamit ang tunneling microscopy (isang fragment ng isang molekular na kadena ay na-solder sa pagitan ng ultrathin na hugis-karayom na gintong mga electrodes; ang eksperimentong geometry ay ipinapakita sa Fig. 3) ay naging posible upang makuha ang mga operating parameter ng switch, na maaaring matawag nang tama. ang molecular current-voltage na katangian at molecular conductivity (Fig. .four). Ang conductance curve (na, sa pamamagitan ng paraan, ay naging napakalapit sa kinakalkula) ay may malinaw na binibigkas na paglubog. Ginagawa nitong posible na ilipat ang mga seksyon ng molekula mula sa isang estado ng pagsasagawa sa isang estado na hindi gumagana, at sa kabaligtaran, sa pamamagitan ng isang simpleng pagbabago sa inilapat na boltahe. Pormal at aktwal na nakuha (ang chemist, siyempre, mas gusto ang terminong "synthesized") isang molecular triode. Sa katunayan, ito ay maaaring isaalang-alang ang unang yugto sa paglikha ng molekular electronics.
Konklusyon
Bagaman ang mga teoretikal na pundasyon ng moletronics ay sapat nang mahusay na binuo at ang mga prototype ng halos lahat ng mga elemento ng lohikal na mga circuit ay nilikha, gayunpaman, ang mga makabuluhang paghihirap ay lumitaw sa paraan ng aktwal na pagbuo ng isang molekular na computer. Ang panlabas na halatang posibilidad ng paggamit ng mga indibidwal na molekula bilang mga lohikal na elemento ng mga elektronikong aparato ay lumalabas na napakaproblema dahil sa mga partikular na katangian ng mga sistema ng molekular at ang mga kinakailangan para sa mga lohikal na elemento.
Una sa lahat, ang lohikal na elemento ay dapat na may mataas na pagiging maaasahan ng operasyon kapag ang isang kontrol na aksyon ay inilapat. Kung isasaalang-alang namin ang optical na koneksyon sa pagitan ng mga elemento, pagkatapos ay sa sistema ng isang molekula - isang photon, ang pagiging maaasahan ng paglipat ay mababa dahil sa medyo mababang posibilidad ng paglipat ng molekula sa isang nasasabik na estado. Maaaring subukan ng isa na malampasan ang kahirapan na ito sa pamamagitan ng sabay-sabay na paggamit ng malaking bilang ng quanta. Ngunit ito ay sumasalungat sa isa pang mahalagang kinakailangan: ang kahusayan ng pag-convert ng signal sa pamamagitan ng isang hiwalay na elemento ay dapat na malapit sa pagkakaisa, iyon ay, ang average na kapangyarihan ng reaksyon ay dapat na katumbas ng average na kapangyarihan ng epekto. Kung hindi, kapag ang mga elemento ay pinagsama sa isang chain, ang posibilidad ng kanilang operasyon ay bababa habang sila ay lumalayo mula sa simula ng chain. Bilang karagdagan, ang elemento ay dapat na hindi malabo na lumipat sa kinakailangang estado at manatili dito sa loob ng sapat na mahabang panahon - hanggang sa susunod na epekto. Para sa medyo simpleng mga molekula, ang pangangailangang ito ay karaniwang hindi natutugunan: kung ang paglipat sa isang nasasabik na estado ay maaaring kontrolin, kung gayon ang reverse transition ay maaaring mangyari nang kusang.
Gayunpaman, hindi lahat ay napakasama. Ang paggamit ng malalaking organikong molekula o ang kanilang mga kumplikado ay ginagawang posible, sa prinsipyo, upang iwasan ang mga nabanggit na mga paghihirap. Halimbawa, sa ilang mga protina ang kahusayan ng electron-optical conversion ay malapit sa pagkakaisa. Bilang karagdagan, para sa malalaking bioorganic na molekula, ang buhay ng nasasabik na estado ay umabot sa sampu-sampung segundo.
Ngunit kahit na ang isang solong molecular computing element ay walang pagiging maaasahan ng mga silicon predecessors nito, ang mahusay na operasyon ng hinaharap na computer ay maaaring makamit sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga prinsipyo ng moletronics at parallel computing na ginagamit sa mga supercomputer. Upang gawin ito, kailangan mong gumawa ng ilang magkaparehong molekular na elemento ng logic na gumana nang magkatulad. Kung gayon ang hindi tamang operasyon ng isa sa mga ito ay hindi hahantong sa isang kapansin-pansin na kabiguan sa mga kalkulasyon. Ang isang modernong massively parallel supercomputer na may maraming daan-daang mga processor ay maaaring mapanatili ang mataas na pagganap kahit na 75% ng mga ito ay nabigo. Halos lahat ng mga buhay na sistema ay gumagamit ng prinsipyo ng paralelismo. Samakatuwid, ang di-kasakdalan ng mga organismo sa antas ng indibidwal na mga selula o gene ay hindi pumipigil sa kanila na gumana nang epektibo.
Ngayon sa mundo mayroong higit sa isang dosenang mga sentrong pang-agham at teknolohikal na kasangkot sa pagbuo ng mga molecular electronics device. Pinagsasama-sama ng mga taunang kumperensya ang daan-daang eksperto sa larangang ito.
Ang malaking interes sa moletronics ay sanhi hindi lamang ng mga prospect ng pagbuo ng isang computer, kundi pati na rin ng malawak na posibilidad para sa pagbuo ng mga bagong teknolohiya. Dahil sa mataas na sensitivity ng molecular electronic device sa liwanag, maaari silang magamit upang lumikha ng mahusay na solar energy converter, gayahin ang proseso ng photosynthesis, at bumuo ng isang bagong klase ng mga detektor ng imahe, na ang prinsipyo ay magiging katulad ng gawain ng mata ng tao. . Ang mga molecular device ay maaari ding gamitin bilang mga selective sensor na tumutugon lamang sa ilang uri ng molecule. Ang ganitong mga sensor ay kinakailangan sa ekolohiya, industriya, at gamot. Ang sensor na gawa sa mga organikong molekula ay mas madaling itanim sa katawan ng tao upang masubaybayan ang kalagayan nito.
Ang paglutas sa mga problemang kinakaharap ng molecular electronics ay nangangailangan ng pagsisikap ng malawak na hanay ng mga siyentipiko na nagtatrabaho sa larangan ng akademikong kaalaman mula sa colloidal chemistry at biology hanggang sa teoretikal na pisika, gayundin sa larangan ng matataas na teknolohiya. Bilang karagdagan, kinakailangan ang makabuluhang pamumuhunan sa pananalapi.
Kinakailangan din na sanayin ang mga bagong highly qualified na tauhan para sa trabaho sa kumplikadong lugar na ito, na nasa intersection ng mga agham. Ngunit, tila, sa loob ng 10-15 taon ay magkakaroon ito ng malaking papel sa agham at teknolohiya.
Listahan ng materyal na ginamit
Ayon sa network Internet , mga artikulo:
1. Goncharova E., Bachelor of Biotechnology;
2. Zaitsev V., Shishlova A., Kagawaran ng Physics, Lomonosov Moscow State University M. V. Lomonosov;
3. Krieger Yu., Ph.D. n.
