1.10 Τεχνολογίες για την κατασκευή ηλεκτρικών κυκλωμάτων του παρόντος και του μέλλοντος
Πολλές εταιρείες και ερευνητικά εργαστήρια εργάζονται επί του παρόντος για τη δημιουργία διαφόρων «πλαστικών» ηλεκτρονικών συσκευών. Είναι αλήθεια ότι οι λύσεις που προσφέρονται σήμερα, ως επί το πλείστον, περιλαμβάνουν κάποιο είδος συγχώνευσης νέων και παραδοσιακών τεχνολογιών. Για παράδειγμα, μια από τις πιο κοινές προσεγγίσεις είναι η εναπόθεση υλικών ημιαγωγών σε πλαστικό υπόστρωμα. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, υπάρχει μια άλλη επιλογή - η χρήση πλαστικών υλικών με αγώγιμες ιδιότητες, ή ακριβέστερα, αγώγιμων πολυμερών.
Τα πρώτα, πιο σημαντικά αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα, μάλιστα
που έγινε το σημείο εκκίνησης για όλη την περαιτέρω έρευνα ελήφθησαν από τον Hideki Shirakawa από το Πανεπιστήμιο της Tsukuba (Ιαπωνία), τον Alan J. Heeger από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια και τον Alan G. MacDiarmid από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. Η πρώτη αναφορά για αυτούς εμφανίστηκε το 1977 στο Journal of Chemical Society.
Ουσία
Η βάση για τα αγώγιμα πολυμερή είναι υψηλομοριακές ουσίες με μόρια στα οποία υπάρχουν εναλλασσόμενοι διπλοί δεσμοί. Στην καθαρή τους μορφή, δεν είναι αγωγοί φορτίου, αφού τα ηλεκτρόνια σε αυτά εντοπίζονται λόγω της συμμετοχής τους στο σχηματισμό ισχυρών χημικών δεσμών. Διάφορες ακαθαρσίες χρησιμοποιούνται για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. Μετά την εισαγωγή τους, καθίσταται δυνατή η μετακίνηση φορτίων (ηλεκτρόνια και οπές) κατά μήκος της μοριακής αλυσίδας.
Ηλεκτροφωταύγεια πολυμερή
Ένα από τα σημαντικά βήματα στην ανάπτυξη των πολυμερών ημιαγωγών ήταν η παραγωγή ηλεκτροφωταυγών πολυμερών στις αρχές της δεκαετίας του '90. Είναι επίσης αγώγιμα και η ακτινοβολία εμφανίζεται λόγω του ανασυνδυασμού φορτίων και οπών. Μέχρι στιγμής, τέτοια πολυμερή χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών: στη βάση τους κατασκευάζονται οθόνες OLED (Organic Light-Emitting Display), οι οποίες θεωρούνται από πολλούς ειδικούς ως πολύ σοβαρός ανταγωνιστής των οθονών LCD στη φορητή συσκευή αγορά.
Πρακτική χρήση
Οι πολυμερείς αγωγοί και ημιαγωγοί θεωρούνται πλέον η βάση της οργανοηλεκτρονικής του 21ου αιώνα. Φυσικά, οι ουσίες που βασίζονται σε μόρια οργανικού άνθρακα μεταφέρουν τον ηλεκτρισμό χειρότερα από, ας πούμε, τον χαλκό και κάπως χειρότερα από το πυρίτιο ως βάση για μικροτσίπ. Αλλά μπορούν εύκολα να πάρουν οποιοδήποτε απαραίτητο σχήμα, είναι ελαφρύτερα και φθηνότερα. Επιπλέον, αλλάζοντας τη χημική σύνθεση, είναι δυνατό να διαφοροποιηθούν οι ιδιότητες αυτών των ουσιών σε πολύ μεγαλύτερο εύρος από τις ανόργανες. Τα διαλυμένα πολυμερή μπορούν να τοποθετηθούν σε συμβατικούς εκτυπωτές inkjet και διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές μπορούν να ψεκαστούν απευθείας σε χαρτί ή άλλο εύκαμπτο υπόστρωμα. Για παράδειγμα, με την εκτόξευση πολυμερών LED, μπορείτε να δημιουργήσετε οθόνες βίντεο για κινητά τηλέφωνα και άλλες φορητές συσκευές. Υπάρχουν ακόμη πολλές ιδέες και εξελίξεις στον τομέα της πρακτικής
εφαρμογή αγώγιμων πολυμερών. Τα επόμενα χρόνια, σύμφωνα με τους ειδικούς, αυτές οι τεχνολογίες θα μπουν σταθερά στη ζωή μας.
Περιεχόμενο
Εισαγωγή 3
1. Δομή ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών 3
2. Ιδιότητες πολυμερών 5
2.1 Ηλεκτρικές ιδιότητες 6
2.2 Ηλεκτρική αγωγιμότητα 7
2.3 Ιδιότητες ορισμένων υλικών 8
2.3.1 Πολυακετυλένιο 8
2.3.2 Ιδιότητα της πολυπυρρόλης 9
2.3.3 Ιδιότητες της πολυανιλίνης 10
3. Δομές διαφόρων αγώγιμων οργανικών πολυμερών 11
3.1 Μέθοδοι απόκτησης 11
4. Εφαρμογή πολυμερών υλικών 12
4.1 Εφαρμογή ντοπαρισμένων πολυμερών 14
4.2 Ειδικές εφαρμογές σε διάφορους κλάδους 15
Συμπέρασμα 17
Αναφορές 18
Εισαγωγή
Τα ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή είναι οργανικά πολυμερή που μπορεί να είναι είτε ημιαγωγοί είτε αγωγοί (όπως τα μέταλλα). Τα αγώγιμα πολυμερή συνδυάζουν την ευκαμψία και την αντοχή των πλαστικών με τις ηλεκτρικά αγώγιμες ιδιότητες των μετάλλων και προσφέρουν τεράστιες δυνατότητες για πρακτικές εφαρμογές. Το κύριο πλεονέκτημα των ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών είναι η κατασκευαστική τους ικανότητα, επειδή Είναι πλαστικά και ως εκ τούτου μπορούν να συνδυάσουν μηχανικές ιδιότητες όπως ευκαμψία, αντοχή, ελατότητα, ελαστικότητα κ.λπ. με υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι ιδιότητές τους μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας ειδικές μεθόδους οργανικής σύνθεσης.
1. Δομή ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών
Σε παραδοσιακά πολυμερή όπως το πολυαιθυλένιο, τα ηλεκτρόνια σθένους συνδέονται με έναν ομοιοπολικό δεσμό όπως ο υβριδισμός sp3. Τέτοια «συνδεδεμένα με το σίγμα ηλεκτρόνια» έχουν χαμηλή κινητικότητα και δεν συμβάλλουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική στα συζευγμένα υλικά. Τα αγώγιμα πολυμερή έχουν μια συνεχή αλυσίδα από sp2-υβριδισμένα κύτταρα άνθρακα.Ρύζι. 1. Υβριδισμός Sp και sp 2
Ένα ηλεκτρόνιο σθένους κάθε κυττάρου βρίσκεται σε τροχιακό p z ορθογώνιο προς τους άλλους δεσμούς σίγμα. Τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα τροχιακά είναι πολύ κινητά όταν το υλικό "ντοπαρίζεται" (Στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών, το ντόπινγκ αναφέρεται στην εισαγωγή μικρών ποσοτήτων ακαθαρσιών ή δομικών ελαττωμάτων για αλλαγή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του ημιαγωγού, ιδιαίτερα του τύπου αγωγιμότητάς του) μέσω οξείδωσης , αφαιρώντας μερικά από αυτά τα μετατοπισμένα ηλεκτρόνια. Έτσι, τα p-τροχιακά σχηματίζουν μια ζώνη εντός της οποίας τα ηλεκτρόνια γίνονται κινητά όταν είναι μερικώς άδεια. Κατ' αρχήν, αυτά τα ίδια υλικά μπορούν να ντοπαριστούν με αναγωγή, η οποία προσθέτει ηλεκτρόνια σε ζώνες που δεν έχουν ακόμη γεμίσει, αλλά στην πράξη οι περισσότεροι οργανικοί αγωγοί προστίθενται με οξείδωση για να παράγουν υλικά τύπου p. Το οξειδοαναγωγικό ντόπινγκ οργανικών αγωγών είναι παρόμοιο με το ντόπινγκ των ημιαγωγών πυριτίου, όπου ένας μικρός αριθμός ατόμων πυριτίου αντικαθίσταται με άτομα με μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων (για παράδειγμα, φώσφορο) ή, αντίθετα, με άτομα με μικρό αριθμό ηλεκτρονίων ( για παράδειγμα, βόριο) για τη δημιουργία ημιαγωγών τύπου n ή τύπου p, αντίστοιχα.
Ρύζι. 2. Πολυμερές με μεταλλικά νανοσωματίδια κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
Η πιο αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ των αγώγιμων πολυμερών και των ανόργανων ημιαγωγών είναι η κινητικότητα του φορέα, η οποία μέχρι πρόσφατα ήταν σημαντικά χαμηλότερη για τα αγώγιμα πολυμερή από ότι για τα ανόργανα αντίστοιχα. Αυτή η διαφορά μειώνεται με την εφεύρεση νέων πολυμερών και την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών επεξεργασίας. Η χαμηλή κινητικότητα φορτίου σχετίζεται με δομικές διαταραχές. Όπως και στους ανόργανους άμορφους ημιαγωγούς, η αγωγιμότητα σε τέτοια σχετικά διαταραγμένα υλικά οφείλεται κυρίως στη διοχέτευση φωνονίων, τη διοχέτευση πόλαρων (ηλεκτρόνιο και συνοδευτικό πεδίο πόλωσης) κ.λπ. μεταξύ σταθερών καταστάσεων.
Τα πολυμερή στην άθικτη κατάσταση τους είναι ημιαγωγοί ή μονωτές με ενεργειακό κενό >2 eV, το οποίο αποτελεί μεγάλο εμπόδιο στην εμφάνιση θερμικής αγωγιμότητας. Κατά συνέπεια, τα μη επικαλυμμένα πολυμερή, όπως η πολυπυρρόλη και το πολυακετυλένιο, έχουν χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, της τάξης των 10 × 10 έως 10 × 8 S/cm και ακόμη και σε πολύ χαμηλά επίπεδα ντόπινγκ (< 1 %) электропроводность может возрастать
до 10 ?1 См/см. Последующее легирование приводит
к насыщению проводимости при значениях
около 100-10 5 См/см в зависимости
от полимера. Самые высокие значения проводимости,
известные в настоящее время, получены
для эластичного полиацетилена с достоверным
значением около 8*10 4 См/см. Хотя пи-электроны
в полиацетилене делокализованы вдоль
цепи, истинный полиацетилен не является
металлом. Полиацетилен имеет переменные
одинарные и двойные связи размером 1,45
A и более 1,35 A соответственно. После легирования
переменные связи уменьшаются, а проводимость
увеличивается.
Μια μη ανανεωμένη αύξηση της αγωγιμότητας επιτυγχάνεται σε ένα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (οργανικά τρανζίστορ φαινομένου πεδίου) ή με ακτινοβολία.
2. Ιδιότητες πολυμερών
Τα αγώγιμα πολυμερή βρίσκουν γρήγορα νέες εφαρμογές ως υλικά υψηλής επεξεργασίας με καλύτερες ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες με χαμηλότερο κόστος.Σύγκριση αγώγιμων ιδιοτήτων μετάλλων και αγώγιμων πολυμερών
Οι πιο εξέχοντες εκπρόσωποι είναι ο χαλκός και το πολυστυρένιο.
Τα αγώγιμα πολυμερή έχουν τη σημαντικότερη επιρροή στην ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας, ειδικά υλικά όπως το γραφένιο (αγώγιμο) - ένα υλικό μεμβράνης πάχους ενός ατόμου, για την παραγωγή του οποίου με πολύ απλό τρόπο απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ στους A. K. Geim και K. S. Novoselov. και γραφάνιο (μονωτήρας), που λαμβάνεται με την προσθήκη ατόμου υδρογόνου.
Ρύζι. 3 πλέγμα γραφενίου
2.1 Ηλεκτρικές ιδιότητες
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες νοούνται ως ένα σύνολο παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά των πολυμερών υλικών σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Σε πρακτικές εφαρμογές, χρησιμοποιούνται συχνότερα οι ακόλουθες παράμετροι: διηλεκτρική σταθερά, διηλεκτρικές απώλειες, ηλεκτρική αγωγιμότητα και ηλεκτρική αντοχή, καθώς και αντίσταση παρακολούθησης (αντίσταση στην ηλεκτρική καταστροφή).
2.2 Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Η συντριπτική πλειοψηφία των πλαστικών έχει συνήθως πολύ υψηλές ηλεκτρικές αντιστάσεις και επομένως είναι διηλεκτρικά. Ωστόσο, όλα τα πλαστικά εμφανίζουν, σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό, ηλεκτρική αγωγιμότητα, η οποία περιγράφεται από τρεις μηχανισμούς - ηλεκτρονικό, ιοντικό και διπολικό. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των διηλεκτρικών στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ιοντικής φύσης.
Ποσοτικά, η ηλεκτρική αγωγιμότητα χαρακτηρίζεται από την ειδική ογκομετρική αγωγιμότητα ενός κύβου διαστάσεων 1x1x1 m, με συνεχές ρεύμα να διέρχεται από τον κύβο μεταξύ δύο αντίθετων επιφανειών.
Για εφαρμοζόμενους σκοπούς, η ηλεκτρική αγωγιμότητα ή η ηλεκτρική αγωγιμότητα των πολυμερών υλικών χαρακτηρίζεται από μια τιμή αντίστροφη της αγωγιμότητας με τη φυσική έννοια, δηλαδή, ειδική ογκομετρική ηλεκτρική αντίσταση rv. Χρησιμοποιείται επίσης η τιμή r s - ειδική επιφανειακή ηλεκτρική αντίσταση.
Η ειδική ογκομετρική ηλεκτρική αντίσταση είναι η αντίσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων που εφαρμόζεται σε αντίθετες όψεις ενός μοναδιαίου κύβου με μέγεθος πλευράς 1 m - εκφρασμένη σε Ohm?m. Η τιμή rv για τα πλαστικά ποικίλλει σε ένα πολύ μεγάλο εύρος από 10 -3 έως 10 18 Ohm?m.
Η ηλεκτρική ειδική αντίσταση ειδικής επιφάνειας - η αντίσταση μεταξύ των απέναντι πλευρών ενός τετραγώνου μονάδας με πλευρά 1 m στην επιφάνεια ενός δείγματος πολυμερούς - εκφράζεται σε Ohms. Οι τιμές του r s εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες δοκιμής. Στους 20°C και σχετική υγρασία αέρα 60%, οι τιμές r s για τα πολυμερή κυμαίνονται από 10 -1 έως 10 16 Ohm.
Σε ξηρή ατμόσφαιρα και απουσία ρύπανσης, η τιμή του r s μπορεί να υπερβεί σημαντικά το r v .
Με βάση την ειδική ογκομετρική ηλεκτρική ειδική αντίσταση, όλα τα στερεά χωρίζονται σε τρεις ομάδες, r v ,:
- διηλεκτρικά (μονωτικά) >10 8 Ohm?m;
ημιαγωγοί 10 2 -10 8 Ohm?m;
μαέστροι:
εξαιρετικά αγώγιμα 10 -6 -10 -2 Ohm?m.
Λαμβάνοντας υπόψη την κλίμακα που φαίνεται στο Σχ. 4, μεταξύ των πολυμερών υλικών μπορεί κανείς να βρει όχι μόνο παραδοσιακούς μονωτές, αλλά και αγώγιμα υλικά στα οποία η αγωγιμότητα επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας πληρωτικά υψηλής αγωγιμότητας (άργυρος, αποοξειδωμένος χαλκός, νικέλιο). Οι μετρήσεις της ογκομετρικής και της επιφανειακής ειδικής αντίστασης πραγματοποιούνται με τη μέτρηση των ρευμάτων που διέρχονται από ένα δείγμα (r v) ή κατά μήκος της επιφάνειας ενός δείγματος (r s) όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σταθερής τάσης σε αυτό.
2.3 Ιδιότητες ορισμένων υλικών
2.3.1 Ιδιότητες πολυακετυλενίου
Το πολυακετυλένιο - προϊόν του πολυμερισμού του ακετυλενίου - Το H2C2 είναι ένα χημικά ενεργό πολυμερές με γενικό τύπο (CH)X, που τροποποιείται εύκολα ("διασταυρούμενη σύνδεση" της δομής). Είναι αλήθεια ότι το καθαρό πολυακετυλένιο είναι ένα εύθραυστο, ασταθές υλικό ακατάλληλο για τεχνολογική επεξεργασία. Είναι ευκολότερο να αντιμετωπίσουμε συμπολυμερή ακετυλενίου και άλλων μονομερών ή να εφαρμόσουμε πολυακετυλένιο στην επιφάνεια πιο ανθεκτικών υλικών.
Για παράδειγμα, λαμβάνεται ένα πολυστρωματικό φιλμ πολυακετυλενίου στην επιφάνεια του πολυαιθυλενίου ή ένα συμπολυμερές αιθυλενίου με βουταδιένιο (C2H4 και C4H6), στο οποίο εφαρμόζεται ένας καταλύτης πολυμερισμού ακετυλενίου. Για να προσδώσει μεταλλική αγωγιμότητα στο πολυακετυλένιο, το φιλμ επεξεργάζεται με αέριο ιώδιο, το οποίο οδηγεί στο σχηματισμό συμπλεγμάτων:
2(CH)X + 3Y(I2) = 2[(CH)XY+ (I3-)Y].
Η ποσότητα του ιωδίου που εισάγεται χρησιμεύει ως εργαλείο για τον έλεγχο των ιδιοτήτων του πολυμερούς: σε συγκέντρωση ιωδίου στο προϊόν περίπου 1%, το υλικό γίνεται ημιαγωγός, σε περίπου 10%, εμφανίζονται μεταλλικές ιδιότητες: υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, παραμαγνητική ευαισθησία. Αυτές οι ιδιότητες είναι το αποτέλεσμα μιας αναδιάρθρωσης της ηλεκτρονικής δομής των μακρομορίων. Το "οργανικό μέταλλο" από φιλμ πολυακετυλενίου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία αγώγιμων στρωμάτων στην ηλεκτρονική και την ηλεκτρική μηχανική
2.3.2 Ιδιότητες πολυπυρρόλης
Οι πολυπυρρόλες είναι μια άλλη ομάδα αγώγιμων πολυμερών. Τα φιλμ πολυπυρρολίου είναι παρόμοια με τα πολυθειοφαίνια στις μεθόδους σύνθεσης και τις βασικές ηλεκτροχημικές τους ιδιότητες. Έχουν αρκετά υψηλή αγωγιμότητα (έως 10 -5 Ohm -1 cm -1), υψηλή σταθερότητα ιδιοτήτων και μπορούν εύκολα να συντεθούν με χημική ή ηλεκτροχημική οξείδωση των αρχικών μονομερών πυρρολίου από υδατικά και μη υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών. Για παράδειγμα, ένα φιλμ πολυπυρρόλης σε ένα ηλεκτρόδιο πλατίνας μπορεί να ληφθεί με οξείδωση του μονομερούς έναρξης, της πυρρόλης, σε όξινα υδατικά διαλύματα. Παρομοίως, η οξείδωση μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό τη δράση ενός κατάλληλου χημικού οξειδωτικού παράγοντα, ιδιαίτερα του χλωριούχου σιδήρου. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται ένα μπλε-μαύρο ίζημα στο διάλυμα, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να μετατραπεί σε φιλμ με συμπίεση και για να βελτιώσουν τις μηχανικές ιδιότητες, χρησιμοποιούν τη δημιουργία σύνθετων υλικών με βάση ένα μείγμα με άλλα μη αγώγιμα πολυμερή. Ο ηλεκτροχημικός πολυμερισμός έχει πλεονεκτήματα, καθώς οι συνθήκες της διαδικασίας οξείδωσης μπορούν να ελέγχονται από το επιλεγμένο δυναμικό και, με την επιφύλαξη της αποτελεσματικής απόδοσης ρεύματος (κοντά στο 100%), μπορούν να εναποτεθούν φιλμ δεδομένου πάχους.
Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για τη σύνθεση πολυπυρρόλης από διαλύματα ακετοιτρίλιο με προσθήκη 1-2% νερού, που βελτιώνει την πρόσφυση του φιλμ στο υπόστρωμα και την ομοιογένειά του. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των μεμβρανών πολυμερούς που προκύπτουν εξαρτώνται από το πάχος. Η καλύτερη πρόσφυση της μεμβράνης πολυπυρρόλης στο υπόστρωμα παρατηρείται με πάχος μικρότερο από 1 micron. Εάν το πάχος του φιλμ είναι μεγαλύτερο από 10 μm, μπορεί να διαχωριστεί σχετικά εύκολα από το υπόστρωμα. Για να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες του φιλμ πολυπυρρολίου, συχνά χυτεύεται με πρόσθετα μη αγώγιμα πολυμερή.
Η οξειδωμένη μορφή της πολυπυρρόλης περιέχει θραύσματα μιας πολυμερικής αλυσίδας 3-4 μονάδων - δακτυλίους πυρρολίου, στους οποίους αποεντοπίζεται ένα μόνο θετικό φορτίο, αντισταθμιζόμενο από ένα σωματίδιο του αντίθετου πρόσημου - το ανιόν Α*.
Η διαδικασία σε ένα φιλμ πολυπυρρολίου μπορεί να αναπαρασταθεί από την εξίσωση
-[-(C 4 H 3 N) 4 -G A" + e =-[-(C4H 3 N) 4 -] + A"
Κυκλική βολταμογραφία στην οποία παρατηρούνται καθοδικές και ανοδικές κορυφές που αντιστοιχούν στην περιγραφόμενη διαδικασία
2.3.3 Ιδιότητες πολυανιλίνης
Η μονομερής μορφή της ανιλίνης είναι το αμινοβενζόλιο C 6 H 5 NH 2, το οποίο πολυμερίζεται εύκολα κατά τη διάρκεια χημικής ή ηλεκτροχημικής οξείδωσης.
Η δομή της πολυανιλίνης αποτελείται από αλυσίδες που περιέχουν 1000 ή περισσότερες μονομοριακές μονάδες, οι οποίες γενικά μπορούν να αναπαρασταθούν ως εξής:
Όπου ο δείκτης x αναφέρεται στον αριθμό των μονάδων πολυμερούς που περιέχουν θραύσματα ανηγμένου πολυμερούς και (1-y) οξειδωμένα θραύσματα πολυμερούς. Μαζί με τις γραμμικές αλυσίδες, μπορούν να σχηματιστούν διακλαδισμένες δομές που περιέχουν δεσμούς μεταξύ αλυσίδων κατά τη σύνθεση πολυμερούς.
Έχει διαπιστωθεί ότι το μοναδικό θετικό φορτίο που προκύπτει κατά την οξείδωση του πολυμερούς αποεντοπίζεται σε 4 μονάδες του τύπου -[-C5H4-N(H)-C6H4-N(H)-].
Κάτω από τη γενική ονομασία πολυανιλίνη, υπάρχουν πέντε κύριες πιθανές καταστάσεις του πολυμερούς, οι οποίες εξαρτώνται από την αναλογία του αριθμού των οξειδωμένων =(C6H4)=K- και ανηγμένων μονάδων -(C6H4)-N(H)- στην αλυσίδα του πολυμερούς .
Οι υπό εξέταση μορφές πολυανιλίνης είναι κακώς αγώγιμες μορφές που μπορούν να μετατραπούν σε πιο αγώγιμες μορφές μετατρέποντάς τις σε μορφές αλατιού. Σε αυτή την περίπτωση, προκύπτουν οι πιο αγώγιμες καταστάσεις του πολυμερούς, που υπάρχουν σε αυτήν την περίπτωση με τη μορφή άλατος. Το άλας σμαραγδίνης έχει την υψηλότερη αγωγιμότητα, στο οποίο τα μισά δομικά θραύσματα είναι οξειδωμένα και περιέχουν 25% δακτυλίους κινόνης
3. Χρησιμοποιούνται κοινά ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή
Πολυφαινυλενοβινυλένιο, πολυακετυλένιο, πολυθειοφαίνιο (Χ = S) και πολυπυρρόλιο (Χ = ΝΗ), πολυανιλίνη (Χ = Ν, ΝΗ) και πολυφαινυλενο σουλφίδιο (Χ = S).Οι καλά μελετημένες κατηγορίες οργανικών αγώγιμων πολυμερών περιλαμβάνουν: πολυακετυλένιο, πολυπυρρόλη, πολυθειοφαίνιο, πολυανιλίνη, πολυ-ρ-φαινυλενο σουλφίδιο και πολυ-παρα-φαινυλενο-βινυλένιο (PPV). Το PPV και τα διαλυτά του παράγωγα εμφανίστηκαν ως πρωτότυπα ηλεκτροφωταύγειας πολυμερή ημιαγωγών. Σήμερα, το πολυ-3-αλκυθειοφαίνιο είναι ένα υλικό για ηλιακά κύτταρα και τρανζίστορ. Άλλα λιγότερο καλά μελετημένα αγώγιμα πολυμερή περιλαμβάνουν: πολυινδόλη, πολυπυρένιο, πολυκαρβαζόλη, πολυαζουλένιο, πολυαζερίνη, πολυφθορένιο και πολυναφθαλίνιο.
3.1 Μέθοδοι απόκτησης
Σύνθεση ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών
Έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για τη σύνθεση πολυμερών. Τα περισσότερα αγώγιμα πολυμερή παράγονται με την οξείδωση του δεσμού ενός μονοκυκλικού προδρόμου.
Ένα πρόβλημα είναι η γενικά χαμηλή διαλυτότητα των πολυμερών. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις το μοριακό βάρος δεν χρειάζεται να είναι υψηλό για να επιτευχθούν οι επιθυμητές ιδιότητες.
Η καλύτερη (αλλά όχι η μόνη) επιλογή είναι η λήψη πολυανιλίνης μέσω του οξειδωτικού πολυμερισμού αλάτων αναλινίου.
Μια απλή και κομψή μέθοδος έχει αναπτυχθεί για την παραγωγή λεπτών μεμβρανών αγώγιμων πολυμερών που μπορούν να βελτιώσουν τις ιδιότητες των ηλιακών συλλεκτών, των LED και των αισθητήρων. Η μέθοδος βασίζεται στο μη αναμίξιμο νερού και λαδιού και στην επιφανειακή τάση που προκύπτει στη διεπιφάνεια μεταξύ αυτών των φάσεων.
Υπάρχει επίσης μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί μια τεχνική «εμβολιασμού» για τη δημιουργία ισχυρών συγκολλητικών δεσμών μεταξύ των επιφανειών των υλικών ζευγαρώματος.
Ρύζι. 5. Πολυμερή στοιχεία που λαμβάνονται με το σχηματισμό συγκολλητικών δεσμών
Σχετικά με τη δημιουργία μιας ποικιλίας «πλαστικών» ηλεκτρονικών συσκευών στο
Αυτή τη στιγμή λειτουργούν πολλές εταιρείες και ερευνητικά εργαστήρια. Σχετικά με αυτό
Ο ηλεκτρονικός τύπος, συμπεριλαμβανομένης της εβδομαδιαίας μας, έχει γράψει περισσότερες από μία φορές. Είναι αλήθεια,
Οι περισσότερες από τις λύσεις που προτείνονται σήμερα περιλαμβάνουν κάποιου είδους
ένας συνδυασμός νέων και παραδοσιακών τεχνολογιών. Για παράδειγμα, ένα από τα πιο κοινά
Οι προσεγγίσεις είναι η εναπόθεση υλικών ημιαγωγών σε πλαστικό υπόστρωμα.
Ωστόσο, στην πραγματικότητα, υπάρχει δυνητικά μια άλλη επιλογή - χρήση
πλαστικά υλικά με αγώγιμες ιδιότητες, ή ακριβέστερα, αγώγιμα πολυμερή.
Τα πρώτα, πιο σημαντικά αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα, που ουσιαστικά έγινε η αφετηρία
Για όλες τις περαιτέρω έρευνες, ελήφθησαν από τον Hideki Shirakawa
από το Πανεπιστήμιο της Tsukuba (Ιαπωνία), Alan J. Heeger από την Καλιφόρνια
University και Alan G. MacDiarmid του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια.
Επιπλέον, σύμφωνα με το μύθο, τα αγώγιμα πολυμερή ανακαλύφθηκαν τυχαία: κατά τη διάρκεια
η αντίδραση σύντηξης ήταν απλώς ένα λάθος που έκανε ένας από τους μαθητές του Shirakawa. Λοιπόν, το πρώτο πράγμα
μια αναφορά σχετικά με αυτούς εμφανίστηκε το 1977 στο Journal of Chemical Society.
Τι είναι τα αγώγιμα πολυμερή; Με λίγα λόγια, βασίζονται σε ουσίες υψηλού μοριακού βάρους με μόρια στα οποία υπάρχουν εναλλασσόμενοι διπλοί δεσμοί. Στην καθαρή τους μορφή, δεν είναι αγωγοί φορτίου, αφού τα ηλεκτρόνια σε αυτά εντοπίζονται λόγω της συμμετοχής τους στο σχηματισμό ισχυρών χημικών δεσμών. Διάφορες ακαθαρσίες χρησιμοποιούνται για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων. μετά την εισαγωγή τους, καθίσταται δυνατή η μετακίνηση φορτίων (ηλεκτρόνια και οπές) κατά μήκος της μοριακής αλυσίδας.
Τα αγώγιμα πολυμερή που λαμβάνονται από τον Hideki Shirakawa με βάση το πολυακετυλένιο είχαν ειδική αγωγιμότητα της τάξης του 0,001-0,01 S/m, η οποία αντιστοιχεί περίπου στους ημιαγωγούς. Στη συνέχεια, συντέθηκαν υλικά με επίπεδο αγωγιμότητας 10.000 S/m, τα οποία μπορούν ήδη να ονομαστούν υπό όρους «κακοί» αγωγοί.
Ένα από τα επόμενα σημαντικά βήματα προς αυτή την κατεύθυνση ήταν η απόκτηση από την αρχή
Ηλεκτροφωταύγεια πολυμερή δεκαετίας του '90. Είναι επίσης αγώγιμα και
Η ακτινοβολία σε αυτά συμβαίνει λόγω του ανασυνδυασμού φορτίων και οπών. Μέχρι τώρα
Με την πάροδο του χρόνου, τέτοια πολυμερή χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως στη βιομηχανία ηλεκτρονικών:
Στη βάση τους κατασκευάζονται οθόνες σε οργανικές διόδους εκπομπής φωτός (OLED - Organic)
Οθόνη εκπομπής φωτός), που θεωρείται από πολλούς ειδικούς ως πολύ σοβαρή
ανταγωνιστής των οθονών LCD στην αγορά φορητών συσκευών. Μεταξύ των κορυφαίων εταιρειών
εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα - British Cambridge Display Technology (www.cdtltd.co.uk),
German Organic Semiconductors Covion (www.covion.com),
Dutch Philips (www.research.philips.com),
καθώς και το UNIAX (www.uniax.com),
ιδρύθηκε το 1990 από τον Alan Heeger και πούλησε από αυτόν πέρυσι στη DuPont.
Όσον αφορά τη χρήση αγώγιμων πολυμερών σε μικροηλεκτρονικές συσκευές αντί για παραδοσιακά υλικά ημιαγωγών, δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί σημαντική πρόοδος, κυρίως επειδή δεν είναι ακόμη ικανά να παρέχουν επαρκή απόδοση. (Αν και, λόγω του χαμηλού κόστους και των μηχανικών τους ιδιοτήτων, τέτοια υλικά έχουν ήδη βρει αρκετά ευρεία εφαρμογή· ένα από τα πιο απλά παραδείγματα είναι τα προστατευτικά φίλτρα για οθόνες οθόνης, τα οποία ήταν πολύ συνηθισμένα πριν από αρκετά χρόνια.) Ωστόσο, πολλοί ειδικοί εξακολουθούν να υποθέτουν ότι κάποια μέρα Τα πολυμερή θα γίνουν βασικά στοιχεία μικροηλεκτρονικής και θα χρησιμοποιηθούν, ας πούμε, ως συνδέσεις μεταξύ υπολογιστικών στοιχείων κατασκευασμένων από μοριακές συστοιχίες, γεγονός που θα αυξήσει τον βαθμό ολοκλήρωσης και την απόδοση των μικροκυκλωμάτων κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Είναι αλήθεια ότι η επίτευξη μιας τέτοιας προόδου θα διαρκέσει περισσότερα από δώδεκα χρόνια.
Λοιπόν, εν κατακλείδι, θα ήθελα να πω κάτι ακόμα για το γεγονός ότι, στην πραγματικότητα, υπηρέτησε
ένα από τα κίνητρα για τη συγγραφή αυτού του σύντομου άρθρου: το 2000, οι επιστήμονες που ανακάλυψαν
αγώγιμα πολυμερή - οι Shirakawa, Heeger και McDiarmid - έγιναν βραβευμένοι με Νόμπελ
βραβεία στη χημεία.
Εισαγωγή
Το 1965, στην αυγή της εποχής των υπολογιστών, ο διευθυντής έρευνας της Fairchild Semiconductors, Gordon Moore, προέβλεψε ότι ο αριθμός των τρανζίστορ σε ένα τσιπ θα διπλασιαζόταν κάθε χρόνο. Έχουν περάσει 35 χρόνια και ο νόμος του Μουρ εξακολουθεί να ισχύει. Είναι αλήθεια ότι με την πάροδο του χρόνου, η πρακτική της μικροηλεκτρονικής παραγωγής έχει κάνει μια μικρή τροποποίησή της: σήμερα πιστεύεται ότι ο αριθμός των τρανζίστορ διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες. Αυτή η επιβράδυνση στην ανάπτυξη οφείλεται στην αυξανόμενη πολυπλοκότητα της αρχιτεκτονικής των chip. Ωστόσο, για την τεχνολογία πυριτίου, η πρόβλεψη του Moore δεν μπορεί να ισχύει για πάντα.
Αλλά υπάρχει ένας άλλος, θεμελιώδης περιορισμός στο νόμο του Moore. Η αύξηση της πυκνότητας των στοιχείων σε ένα μικροκύκλωμα επιτυγχάνεται με τη μείωση του μεγέθους τους. Ήδη σήμερα, η απόσταση μεταξύ των στοιχείων του επεξεργαστή μπορεί να είναι 0,13x10 -6 μέτρα (η λεγόμενη τεχνολογία 0,13 micron). Όταν οι διαστάσεις των τρανζίστορ και οι αποστάσεις μεταξύ τους φτάσουν αρκετές δεκάδες νανόμετρα, θα τεθούν σε ισχύ τα λεγόμενα εφέ μεγέθους - φυσικά φαινόμενα που διαταράσσουν εντελώς τη λειτουργία των παραδοσιακών συσκευών πυριτίου. Επιπλέον, καθώς μειώνεται το πάχος του διηλεκτρικού στα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, αυξάνεται η πιθανότητα ηλεκτρονίων να διέρχονται από αυτό, γεγονός που επίσης παρεμποδίζει την κανονική λειτουργία των συσκευών.
Ένας άλλος τρόπος για να αυξηθεί η παραγωγικότητα είναι η χρήση άλλων ημιαγωγών, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), αντί για το πυρίτιο. Λόγω της υψηλότερης κινητικότητας των ηλεκτρονίων σε αυτό το υλικό, η απόδοση των συσκευών μπορεί να αυξηθεί κατά άλλη τάξη μεγέθους. Ωστόσο, οι τεχνολογίες που βασίζονται στο αρσενίδιο του γαλλίου είναι πολύ πιο περίπλοκες από αυτές του πυριτίου. Ως εκ τούτου, αν και έχουν επενδυθεί σημαντικοί πόροι στην έρευνα του GaAs τις τελευταίες δύο δεκαετίες, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που βασίζονται σε αυτό χρησιμοποιούνται κυρίως στον στρατιωτικό τομέα. Εδώ, το υψηλό κόστος τους αντισταθμίζεται από τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, την υψηλή απόδοση και την αντίσταση στην ακτινοβολία. Ωστόσο, ακόμη και κατά την ανάπτυξη συσκευών GaAs, οι περιορισμοί παραμένουν σε ισχύ λόγω τόσο των θεμελιωδών φυσικών αρχών όσο και της τεχνολογίας κατασκευής.
Γι' αυτό σήμερα ειδικοί σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας αναζητούν εναλλακτικούς τρόπους για την περαιτέρω ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής. Η μοριακή ηλεκτρονική προσφέρει έναν τρόπο επίλυσης του προβλήματος.
ΜΟΡΙΑΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΜΕΛΛΟΝΤΟΣ.
Η δυνατότητα χρήσης μοριακών υλικών και μεμονωμένων μορίων ως ενεργών στοιχείων της ηλεκτρονικής έχει από καιρό προσελκύσει την προσοχή ερευνητών σε διάφορους τομείς της επιστήμης. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα, όταν τα όρια των πιθανών δυνατοτήτων της τεχνολογίας ημιαγωγών έγιναν πρακτικά απτά, το ενδιαφέρον για τη μοριακή ιδεολογία της κατασκευής βασικών στοιχείων της ηλεκτρονικής μεταφέρθηκε στο κύριο ρεύμα της ενεργού και στοχευμένης έρευνας, η οποία σήμερα έχει γίνει μια από τις πιο σημαντικές και πολλά υποσχόμενα επιστημονικά και τεχνικά πεδία της ηλεκτρονικής.
Περαιτέρω προοπτικές για την ανάπτυξη της ηλεκτρονικής συνδέονται με τη δημιουργία συσκευών που χρησιμοποιούν κβαντικά φαινόμενα, στα οποία ήδη μετρώνται μονάδες ηλεκτρονίων. Πρόσφατα, έχουν διεξαχθεί ευρέως θεωρητικές και πειραματικές μελέτες τεχνητά δημιουργημένων δομών χαμηλών διαστάσεων. κβαντικά στρώματα, καλώδια και τελείες. Αναμένεται ότι συγκεκριμένα κβαντικά φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτά τα συστήματα μπορεί να αποτελέσουν τη βάση για τη δημιουργία ενός θεμελιωδώς νέου τύπου ηλεκτρονικών συσκευών.
Η μετάβαση στο κβαντικό επίπεδο είναι αναμφίβολα ένα νέο, σημαντικό στάδιο στην ανάπτυξη των ηλεκτρονικών, γιατί σας επιτρέπει να μεταβείτε στην εργασία με πρακτικά μεμονωμένα ηλεκτρόνια και να δημιουργήσετε στοιχεία μνήμης στα οποία ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να αντιστοιχεί σε ένα bit πληροφοριών. Ωστόσο, η δημιουργία τεχνητών κβαντικών δομών αντιπροσωπεύει μια τρομακτική τεχνολογική πρόκληση. Πρόσφατα, έγινε προφανές ότι η υλοποίηση τέτοιων δομών συνδέεται με μεγάλες τεχνολογικές δυσκολίες ακόμη και κατά τη δημιουργία μεμονωμένων στοιχείων και προκύπτουν ανυπέρβλητες δυσκολίες κατά τη δημιουργία τσιπ με στοιχεία πολλών εκατομμυρίων. Η διέξοδος από αυτή την κατάσταση, σύμφωνα με πολλούς ερευνητές, είναι η μετάβαση σε μια νέα τεχνολογία - τα μοριακά ηλεκτρονικά.
Η θεμελιώδης δυνατότητα χρήσης μεμονωμένων μορίων ως ενεργών στοιχείων της μικροηλεκτρονικής εκφράστηκε από τον Feynman το 1957. Αργότερα έδειξε ότι οι νόμοι της κβαντομηχανικής δεν αποτελούν εμπόδιο για τη δημιουργία ηλεκτρονικών συσκευών ατομικού μεγέθους, εφόσον η πυκνότητα καταγραφής πληροφοριών δεν υπερβαίνει το 1 bit/άτομο. Ωστόσο, μόνο με την έλευση των έργων του Carter και του Aviram άρχισαν να μιλούν για τη μοριακή ηλεκτρονική ως ένα νέο διεπιστημονικό πεδίο, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής, της χημείας, της μικροηλεκτρονικής και της επιστήμης των υπολογιστών, και με στόχο τη μεταφορά της μικροηλεκτρονικής σε μια νέα στοιχειώδη βάση - μοριακό ηλεκτρονικό συσκευές.
Αυτό σίγουρα υποδηλώνει μια αναλογία με την ιστορία της ανάπτυξης συσκευών ακριβείας χρόνου, οι οποίες έχουν περάσει από μηχανικά χρονόμετρα χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους εκκρεμών, μέσω ρολογιών χαλαζία που βασίζονται σε συντονισμούς στερεάς κατάστασης και, τέλος, σήμερα τα πιο ακριβή ρολόγια χρησιμοποιούν ενδομοριακά εφέ σε μόρια αμμωνίας κ.λπ. Τα ηλεκτρονικά αναπτύσσονται με παρόμοιο τρόπο, περνώντας από τα μηχανικά ηλεκτρομαγνητικά ρελέ και τους σωλήνες κενού στα τρανζίστορ και τα μικροκυκλώματα στερεάς κατάστασης, και σήμερα έχει πλησιάσει το κατώφλι πέρα από το οποίο βρίσκεται το πεδίο της μοριακής τεχνολογίας.
Δεν είναι τυχαίο ότι η εστίαση ήταν στα μοριακά συστήματα. Πρώτον, ένα μόριο είναι μια ιδανική κβαντική δομή που αποτελείται από μεμονωμένα άτομα, η κίνηση των ηλεκτρονίων κατά μήκος των οποίων καθορίζεται από τους κβαντικούς χημικούς νόμους και είναι το φυσικό όριο της σμίκρυνσης. Ένα άλλο, όχι λιγότερο σημαντικό χαρακτηριστικό της μοριακής τεχνολογίας είναι ότι η δημιουργία τέτοιων κβαντικών δομών διευκολύνεται πολύ από το γεγονός ότι η δημιουργία τους βασίζεται στην αρχή της αυτοσυναρμολόγησης. Η ικανότητα των ατόμων και των μορίων, υπό ορισμένες συνθήκες, να συνδυάζονται αυθόρμητα σε προκαθορισμένους μοριακούς σχηματισμούς είναι ένα μέσο οργάνωσης μικροσκοπικών κβαντικών δομών. Η λειτουργία με μόρια προκαθορίζει την πορεία της δημιουργίας τους. Είναι η σύνθεση ενός μοριακού συστήματος που είναι η πρώτη πράξη αυτοσυναρμολόγησης των αντίστοιχων συσκευών. Αυτό εξασφαλίζει την ταυτότητα των συναρμολογημένων συνόλων και, κατά συνέπεια, την ταυτότητα των μεγεθών των στοιχείων και, ως εκ τούτου, την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα των κβαντικών διεργασιών και τη λειτουργία των μοριακών συσκευών.
Από την αρχή της ανάπτυξης της μοριακής προσέγγισης στη μικροηλεκτρονική, το ζήτημα των φυσικών αρχών της λειτουργίας των μοριακών ηλεκτρονικών συσκευών παρέμεινε ανοιχτό. Ως εκ τούτου, οι κύριες προσπάθειες επικεντρώθηκαν στην αναζήτησή τους, με την κύρια προσοχή να δίνεται σε μεμονωμένα μόρια ή μοριακά συγκροτήματα. Παρά τον μεγάλο αριθμό εργασιών προς αυτή την κατεύθυνση, η πρακτική εφαρμογή των μοριακών συσκευών απέχει πολύ από το να έχει ολοκληρωθεί. Ένας από τους λόγους για αυτό είναι ότι, ειδικά στις πρώτες μέρες της μοριακής ηλεκτρονικής, δόθηκε μεγάλη έμφαση στη λειτουργία μεμονωμένων μορίων, στην αναζήτηση και τη δημιουργία δισταθερών μορίων που μιμούνται τις ιδιότητες ενεργοποίησης. Φυσικά, αυτή η προσέγγιση είναι πολύ ελκυστική από την άποψη της μικρογραφίας, αλλά αφήνει ελάχιστες πιθανότητες να δημιουργηθούν μοριακές ηλεκτρονικές συσκευές στο εγγύς μέλλον.
Η ανάπτυξη μιας νέας προσέγγισης στη μικροηλεκτρονική απαιτεί την επίλυση μιας σειράς προβλημάτων σε τρεις κύριες κατευθύνσεις: την ανάπτυξη φυσικών αρχών για τη λειτουργία των ηλεκτρονικών συσκευών. σύνθεση νέων μορίων ικανών να αποθηκεύουν, να μεταδίδουν και να μετατρέπουν πληροφορίες· ανάπτυξη μεθόδων για την οργάνωση των μορίων σε ένα υπερμοριακό σύνολο ή μοριακή ηλεκτρονική συσκευή.
Επί του παρόντος, βρίσκεται σε εξέλιξη μια εντατική έρευνα για έννοιες για την ανάπτυξη της μοριακής ηλεκτρονικής και τις φυσικές αρχές λειτουργίας και αναπτύσσονται τα θεμελιώδη για την κατασκευή βασικών στοιχείων. Η μοριακή ηλεκτρονική γίνεται ένα νέο διεπιστημονικό πεδίο της επιστήμης, συνδυάζοντας τη φυσική στερεάς κατάστασης, τη μοριακή φυσική, την οργανική και ανόργανη χημεία και στοχεύοντας στη μεταφορά ηλεκτρονικών συσκευών σε μια νέα στοιχειακή βάση. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων και τη συγκέντρωση των προσπαθειών των ερευνητών που εργάζονται σε διάφορους τομείς της γνώσης, δημιουργούνται Κέντρα Μοριακής Ηλεκτρονικής, κοινά εργαστήρια σε όλες τις βιομηχανικές χώρες και διεξάγονται διεθνή συνέδρια και σεμινάρια.
Τώρα, και προφανώς στο εγγύς μέλλον, είναι δύσκολο να μιλήσουμε για τη δημιουργία μοριακών ηλεκτρονικών συσκευών που λειτουργούν με βάση τη λειτουργία μεμονωμένων μορίων, αλλά μπορούμε στην πραγματικότητα να μιλήσουμε για τη χρήση μοριακών συστημάτων στα οποία τα ενδομοριακά αποτελέσματα έχουν μακροσκοπική εκδήλωση. Τέτοια υλικά μπορούν να ονομαστούν «έξυπνα υλικά». Το στάδιο της δημιουργίας «έξυπνων υλικών», δηλ. Το στάδιο της λειτουργικής μοριακής ηλεκτρονικής, μια φυσική και απαραίτητη περίοδος στην ανάπτυξη της ηλεκτρονικής, είναι ένα ορισμένο στάδιο στη μετάβαση από την τεχνολογία ημιαγωγών στη μοριακή τεχνολογία. Αλλά είναι πιθανό αυτή η περίοδος να είναι μεγαλύτερη από ό,τι νομίζουμε τώρα. Φαίνεται πιο ρεαλιστικό, ειδικά στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης της μοριακής ηλεκτρονικής, να χρησιμοποιηθούν οι μακροσκοπικές ιδιότητες των μοριακών συστημάτων, οι οποίες θα καθορίζονταν από δομικές ανακατατάξεις που συμβαίνουν στο επίπεδο μεμονωμένων μοριακών συνόλων. Η φυσική αρχή λειτουργίας τέτοιων ηλεκτρονικών συσκευών θα πρέπει να αφαιρεί περιορισμούς διαστάσεων, τουλάχιστον μέχρι το μέγεθος των μεγάλων μοριακών σχηματισμών. Από την άποψη των ηλεκτρονικών και της πιθανής δυνατότητας σύνδεσης μοριακών συσκευών με τους αντίστοιχους ημιαγωγούς, θα ήταν προτιμότερο να αντιμετωπίζονται μοριακά συστήματα που αλλάζουν την ηλεκτρονική τους αγωγιμότητα υπό εξωτερικές επιδράσεις, κυρίως υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου.
Οι ιδέες της μοριακής ηλεκτρονικής δεν συνοψίζονται στην απλή αντικατάσταση ενός τρανζίστορ ημιαγωγών με ένα μοριακό, αν και αυτό το συγκεκριμένο πρόβλημα θα λυθεί επίσης. Ο κύριος στόχος εξακολουθεί να είναι η δημιουργία πολύπλοκων μοριακών συστημάτων που υλοποιούν ταυτόχρονα πολλά διαφορετικά εφέ που εκτελούν μια περίπλοκη εργασία. Μεταξύ των εργασιών αυτού του τύπου, είναι φυσικό να περιλαμβάνεται πρώτα απ' όλα η εργασία δημιουργίας ενός στοιχείου καθολικής μνήμης, ως το πιο σημαντικό μέρος κάθε πληροφορίας και υπολογιστικής συσκευής. Φαίνεται πολύ προφανές ότι το δυναμικό των μοριακών ηλεκτρονικών θα αποκαλυφθεί σε μεγαλύτερο βαθμό όταν δημιουργηθούν νευρωνικά δίκτυα που αποτελούνται από νευρώνες και ηλεκτροδραστικές συνάψεις που τα συνδέουν. Η δημιουργία τεχνητών νευρώνων και διαφόρων τύπων αισθητήρων που περιλαμβάνονται σε ένα ενιαίο δίκτυο με χρήση μοριακών ηλεκτρονικών θα ανοίξει το δρόμο για την υλοποίηση όλων των πιθανών δυνατοτήτων που είναι εγγενείς στην ιδεολογία των νευροϋπολογιστών, θα επιτρέψει τη δημιουργία ενός θεμελιωδώς νέου τύπου πληροφοριακών και υπολογιστικών συστημάτων και πλησιάζει στην επίλυση του προβλήματος της δημιουργίας τεχνητής νοημοσύνης.
Βακτηριδοροδοψίνη: δομή και λειτουργίες.
Η μοριακή ηλεκτρονική ορίζεται ως η κωδικοποίηση (καταγραφή), η επεξεργασία και η αναγνώριση (ανάγνωση) πληροφοριών σε μοριακό και μακρομοριακό επίπεδο. Το κύριο πλεονέκτημα της μοριακής προσέγγισης είναι η δυνατότητα μοριακού σχεδιασμού και παραγωγής συσκευών από κάτω προς τα πάνω, δηλ. άτομο προς άτομο ή θραύσμα προς θραύσμα - οι παράμετροι των συσκευών καθορίζονται με μεθόδους οργανικής σύνθεσης και γενετικής μηχανικής. Δύο γενικά αναγνωρισμένα πλεονεκτήματα των μοριακών ηλεκτρονικών είναι η σημαντική μείωση στο μέγεθος της συσκευής και οι καθυστερήσεις διάδοσης της πύλης των λογικών στοιχείων.
Η βιοηλεκτρονική, ένας κλάδος της μοριακής ηλεκτρονικής, διερευνά τη δυνατότητα χρήσης βιοπολυμερών ως ενοτήτων υπολογιστών και οπτικών συστημάτων που ελέγχονται από φως ή ηλεκτρικούς παλμούς. Η κύρια απαίτηση για πιθανούς υποψήφιους σε μια μεγάλη οικογένεια βιοπολυμερών είναι ότι πρέπει να αλλάξουν αναστρέψιμα τη δομή τους ως απόκριση σε κάποιο φυσικό ερέθισμα και να δημιουργήσουν τουλάχιστον δύο διακριτές καταστάσεις που διαφέρουν σε εύκολα μετρήσιμα φυσικά χαρακτηριστικά (για παράδειγμα, φασματικές παραμέτρους).
Από αυτή την άποψη, πρωτεΐνες των οποίων η κύρια λειτουργία σχετίζεται με τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε χημική ενέργεια σε διάφορα φωτοσυνθετικά συστήματα παρουσιάζουν σημαντικό ενδιαφέρον. Ο πιο πιθανός υποψήφιος μεταξύ αυτών είναι η φωτοεξαρτώμενη αντλία πρωτονίων - βακτηριοροδοψίνη (BR) από αλόφιλο μικροοργανισμό Halobacterium salinarum(προηγουμένως Halobacterium halobium), άνοιξε το 1971.
Η βακτηριοροδοψίνη, μια γεννήτρια μεταφοράς πρωτονίων που περιέχει αμφιβληστροειδή, είναι μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη 248 αμινοξέων με μοριακό βάρος 26 kDa, που διεισδύει στη μεμβράνη με τη μορφή επτά ένα-σπείρες? Τα Ν- και C-άκρα της πολυπεπτιδικής αλυσίδας βρίσκονται σε αντίθετες πλευρές της κυτταροπλασματικής μεμβράνης: το Ν-άκρο βλέπει προς τα έξω και το C-άκρο βλέπει μέσα στο κύτταρο (Εικ. 1, 2).
Εικ.1.
Μοντέλο BR σε στοιχεία δευτερεύουσας δομής. Τα αμινοξέα απομονώνονται
εμπλέκονται στη μεταφορά πρωτονίων: υπολείμματα ασπαρτικού οξέος σε κύκλους,
τετράγωνο είναι το υπόλειμμα αργινίνης. Το Lys-216 (K-216) σχηματίζει μια βάση Schiff (SB).
Το βέλος δείχνει την κατεύθυνση μεταφοράς πρωτονίων.
Chromophore BR - πρωτονιωμένη αλδιμίνη αμφιβληστροειδούς με έναΗ -αμινομάδα του υπολείμματος Lys-216 βρίσκεται στο υδρόφοβο τμήμα του μορίου. Μετά την απορρόφηση ενός κβαντικού φωτός κατά τη διάρκεια του φωτοκύκλου, λαμβάνει χώρα ο ισομερισμός του αμφιβληστροειδούς από όλα-Έντυπο Ε έως 13Ζ. Το πρωτεϊνικό μικροπεριβάλλον του χρωμοφόρου μπορεί να θεωρηθεί ως υποδοχέας με ειδικότητα υποστρώματος για όλα-Ε/13Ζ-αμφιβληστροειδές, που καταλύει αυτόν τον ισομερισμό σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, ορισμένα αμινοξέα είναι υπεύθυνα για την καταστολή των ισομερισμών εκτός από όλα-E /13Z, για παράδειγμα από όλα-Ε- έως 7Ζ-, 9Ζ-, 11Ζ-αμφιβληστροειδούς. Η υπόλοιπη πολυπεπτιδική αλυσίδα παρέχει ένα κανάλι μεταφοράς πρωτονίων ή προστατεύει τη φωτοχρωμική εσωτερική ομάδα από περιβαλλοντικές επιρροές.
Η αμοιβαία τοπογραφία των στοιχείων δευτερογενούς δομής που σχηματίζονται από την πολυπεπτιδική αλυσίδα BR αλλάζει αφού το μόριο χρωμοφόρου απορροφά ένα ελαφρύ κβάντο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός καναλιού για τη διαμεμβρανική μεταφορά πρωτονίων από το κυτταρόπλασμα στο εξωτερικό περιβάλλον. Ωστόσο, ο μοριακός μηχανισμός της εξαρτώμενης από το φως μεταφοράς είναι ακόμα άγνωστος.
Εικ.2. Σχηματικό μοντέλο της τρισδιάστατης (χωρικής) δομής του BR Seven ένα -οι έλικες σχηματίζουν μια κοιλότητα χρωμοφόρου και ένα διαμεμβρανικό κανάλι μεταφοράς πρωτονίων.
Το BR βρίσκεται στην κυτταρική μεμβράνη H. salinarum- ένα αλόφιλο αρχαιοβακτήριο που ζει και αναπαράγεται σε αλμυρά έλη και λίμνες, όπου η συγκέντρωση του NaCl μπορεί να ξεπεράσει τα 4 M, δηλαδή 6 φορές υψηλότερη από ό,τι στο θαλασσινό νερό (~ 0,6 M). Αυτή η μοναδική πρωτεΐνη είναι παρόμοια από πολλές απόψεις με την οπτική πρωτεΐνη ροδοψίνη, αν και οι φυσιολογικές λειτουργίες της είναι διαφορετικές. Ενώ η οπτική ροδοψίνη δρα ως ο κύριος φωτοϋποδοχέας που μεσολαβεί στη σκοτεινή όραση στα περισσότερα σπονδυλωτά, ο φυσιολογικός ρόλος του BR είναι να επιτρέπει στα αλοβακτήρια να δρουν ως προαιρετικά αναερόβια όταν η μερική πίεση οξυγόνου στο περιβάλλον είναι χαμηλή. Η πρωτεΐνη λειτουργεί ως αντλία πρωτονίων που εξαρτάται από το φως, η οποία εξασφαλίζει το σχηματισμό μιας ηλεκτροχημικής βαθμίδας πρωτονίων στην επιφάνεια της κυτταρικής μεμβράνης, η οποία, με τη σειρά της, χρησιμεύει για τη συσσώρευση ενέργειας. Η κύρια εργασία που γίνεται από τη βαθμίδα είναι η σύνθεση του ATP μέσω αναερόβιας (φωτοσυνθετικής) φωσφορυλίωσης και, σε αυτή την περίπτωση, αντιπροσωπεύει ένα κλασικό παράδειγμα της χημειοσμωτικής υπόθεσης του Mitchell για οξειδωτική φωσφορυλίωση. Όταν δεν υπάρχει φως και η μερική πίεση του οξυγόνου είναι υψηλή, τα βακτήρια επανέρχονται σε αερόβια οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Κύτταρα H. salinarumΠεριέχουν επίσης δύο λεγόμενες αισθητικές ροδοψίνες (CP I και CP II), οι οποίες παρέχουν θετική και αρνητική φωτοταξία. Τα διαφορετικά μήκη κύματος διαβάζονται από τα CP I και CP II ως μόρια ανιχνευτή, τα οποία ενεργοποιούν έναν καταρράκτη σημάτων που ελέγχουν τον βακτηριακό μαστιγωτό κινητήρα. Χρησιμοποιώντας αυτή τη στοιχειώδη διαδικασία αντίληψης του φωτός, οι μικροοργανισμοί κινούνται ανεξάρτητα στο φως μιας κατάλληλης φασματικής σύνθεσης. Επιπλέον, τα κύτταρα περιέχουν αλοροδοψίνη (GR), η οποία είναι μια εξαρτώμενη από το φως αντλία ιόντων Cl-. Η κύρια λειτουργία του είναι η μεταφορά ιόντων χλωρίου στο κύτταρο, τα οποία χάνονται συνεχώς από το βακτήριο, μετακινούμενοι από μέσα προς τα έξω υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από το BR. Ο μηχανισμός δράσης της GH είναι ασαφής. Υποτίθεται ότι το Cl - δεσμεύεται στο θετικά φορτισμένο τεταρτοταγές άζωτο της πρωτονιωμένης βάσης Schiff και ο ισομερισμός του αμφιβληστροειδούς από όλα-Το Ε στη μορφή 13Ζ προκαλεί την κίνηση αυτού του αζώτου με το ιόν Cl συνδεδεμένο σε αυτό - από την είσοδο στην έξοδο Cl - - αγώγιμη διαδρομή.
Εικ.3. Τομή της μωβ μεμβράνης (κάτοψη).
Το BR εντοπίζεται σε περιοχές των κυτταρικών μεμβρανών H. salinarumμε τη μορφή μωβ μεμβρανών (PM), που σχηματίζουν δισδιάστατους κρυστάλλους με εξαγωνικό πλέγμα. Αυτές οι περιοχές περιέχουν την ίδια την πρωτεΐνη, μερικά λιπίδια, καροτενοειδή και νερό (Εικ. 3). Έχουν συνήθως οβάλ ή στρογγυλό σχήμα με μέση διάμετρο περίπου 0,5 μm και περιέχουν περίπου 25% λιπίδια και 75% πρωτεΐνη. Τα PM είναι ανθεκτικά στο ηλιακό φως, στο οξυγόνο, σε θερμοκρασίες πάνω από 80ºC (σε νερό) και έως 140ºC (ξηρό), pH από 0 έως 12, υψηλή ιοντική ισχύ (3 M NaCl), τη δράση των περισσότερων πρωτεασών, ευαίσθητα σε μείγματα πολικών οργανικούς διαλύτες με νερό, αλλά είναι ανθεκτικοί σε μη πολικούς διαλύτες όπως το εξάνιο. Μεγάλη πρακτική σημασία έχει η υπάρχουσα δυνατότητα ενσωμάτωσης PM σε πολυμερείς μήτρες χωρίς απώλεια φωτοχημικών ιδιοτήτων.
Η μεταφορά πρωτονίων που προκαλείται από το φως συνοδεύεται από έναν αριθμό κυκλικών φασματικών αλλαγών στο BR, το σύνολο των οποίων ονομάζεται φωτόκυκλος (Εικ. 4). Τριάντα χρόνια έρευνας οδήγησαν σε μια αρκετά λεπτομερή κατανόηση του φωτοκύκλου, αλλά οι λεπτομέρειες της μεταφοράς πρωτονίων εξακολουθούν να μελετώνται.
Ο φωτοχημικός κύκλος του BR αποτελείται από μεμονωμένα ενδιάμεσα, τα οποία μπορούν να αναγνωριστούν τόσο από τα μέγιστα απορρόφησης όσο και από την κινητική του σχηματισμού και της αποσύνθεσης. Το σχήμα 4 δείχνει ένα απλοποιημένο μοντέλο του φωτοκύκλου BR.
Εικ.4. Φωτοκύκλος BR.
Τα φωτοχημικά και τα θερμικά στάδια εμφανίζονται ως παχιά και λεπτά βέλη, αντίστοιχα. Τα κάθετα σύμβολα δείχνουν όλα- E-διαμόρφωση αμφιβληστροειδούς (ενδιάμεσα σιΚαι ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ), τα λοξά σύμβολα υποδεικνύουν τη διαμόρφωση 13Z. Στο σκοτάδι, το BR μετατρέπεται σε μείγμα 1:1 ρεΚαι σι, αυτό το μείγμα ονομάζεται προσαρμοσμένο στο σκοτάδι BR. Όταν το BR είναι φωτισμένο, λαμβάνει χώρα προσαρμογή φωτός, δηλ. μετάβαση στη βασική κατάσταση σι. Από εκεί ξεκινά ο φωτοκύκλος, ο οποίος οδηγεί στη μεταφορά πρωτονίων κατά μήκος της μεμβράνης. Κατά τη μετάβαση μεγάλοΠρος την Μ, διάρκειας περίπου 40 μsec, η βάση Schiff αποπρωτονιώνεται και η Asp85 πρωτονιώνεται. Από εκεί το πρωτόνιο πηγαίνει στο εξωτερικό του εξωκυτταρικού τμήματος του καναλιού πρωτονίων. Κατά τη μετάβαση ΜΠρος την Νη αλδιμίνη επαναπρωτονίζεται. Το υπόλειμμα Asp96 δρα ως δότης πρωτονίων. Το Asp96 επαναπρωτονίζεται μέσω ενός ημιδιαύλου κυτταροπλασματικού πρωτονίου. Ενώ όλοι οι μετασχηματισμοί μεταξύ των ενδιάμεσων είναι αναστρέψιμοι, η μετάβαση από Μ ΙΠρος την Μ II, πιστεύεται ότι είναι ένα σημαντικό μη αναστρέψιμο βήμα στον φωτοκύκλο. Κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης, το άζωτο της βάσης Schiff δεν είναι διαθέσιμο στο εξωκυτταρικό τμήμα του καναλιού πρωτονίων, αλλά μόνο στο κυτταροπλασματικό ημικανάλι, το οποίο σχετίζεται με διαμορφωτικές αλλαγές στο μόριο της πρωτεΐνης.
Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των ενδιάμεσων χαρακτηρίζονται από το μήκος κύματος των μέγιστων απορρόφησής τους και την τιμή του συγκεκριμένου μοριακού συντελεστή απόσβεσης. Η πρωτονίωση του SB και η διαμόρφωση του υπολείμματος ρετινυλιδενίου επηρεάζουν τις τιμές των μέγιστων απορρόφησης. Κατά τη διάρκεια του φωτοκύκλου BR, πολλές εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία διαμορφωτικές αλλαγές συμβαίνουν στην πρωτεΐνη, επομένως ο σχηματισμός των περισσότερων ενδιάμεσων μπορεί να κατασταλεί με ψύξη.
Εκτός από τον κύριο φωτόκυκλο, υπάρχουν δύο καταστάσεις που μπορούν να προκληθούν τεχνητά. Στα ενδιάμεσα ΠΚαι Qδιαμόρφωση αμφιβληστροειδούς 9Z. Αυτό επιτυγχάνεται μετά από φωτοχημική διέγερση όλα-Ε-αμφιβληστροειδούς όταν το Asp85 πρωτονιώνεται ταυτόχρονα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί σε άγριου τύπου BR σε χαμηλό pH ή με απιονισμό (σχηματισμός των λεγόμενων μπλε μεμβρανών), ωστόσο τέτοια παρασκευάσματα είναι ασταθή. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η αντικατάσταση του Asp85 με ένα αμινοξύ που έχει διαφορετική τιμή pKa που παραμένει αφόρτιστο στο pH ενδιαφέροντος ή η πλήρης απομάκρυνση της καρβοξυλικής ομάδας με κατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση. Η σταθερότητα τέτοιων μεταλλαγμένων μπλε μεμβρανών είναι υψηλότερη.
Οι μοναδικές ιδιότητες της βακτηριοροδοψίνης παρέχουν ένα ευρύ φάσμα τεχνικών εφαρμογών στις οποίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί, ωστόσο, μόνο οι οπτικές είναι εμπορικά εφικτές σήμερα, καθώς η ενσωμάτωσή τους στα σύγχρονα τεχνικά συστήματα είναι πολύ απλή.
Οι οπτικές εφαρμογές βασίζονται στη χρήση μεμβρανών BR - πολυμερών μητρών διαφόρων συνθέσεων με πρωτεϊνικά μόρια που περιλαμβάνονται σε αυτές. Για πρώτη φορά στον κόσμο, τέτοιες ταινίες βασισμένες σε άγριου τύπου BR αποκτήθηκαν και μελετήθηκαν στη χώρα μας στο πλαίσιο του προγράμματος Rhodopsin. Στη δεκαετία του '80, αποδείχθηκε η αποτελεσματικότητα και η υπόσχεση χρήσης τέτοιων υλικών, που ονομάζονται "Biochrome", ως φωτοχρωμικά υλικά και ως μέσο ολογραφικής καταγραφής.
Πολύ ενδιαφέρουσα είναι η δυνατότητα μεταβολής των φωτοχημικών ιδιοτήτων των φιλμ BR:
α) αντικατάσταση του φυσικού χρωμοφόρου με ένα τροποποιημένο.
β) χημικές (φυσικοχημικές) επιδράσεις.
γ) σημειακές αντικαταστάσεις ορισμένων υπολειμμάτων αμινοξέων χρησιμοποιώντας μεθόδους γενετικής μηχανικής.
Τέτοια τροποποιημένα υλικά μπορεί να έχουν πολύτιμες συγκεκριμένες ιδιότητες, οι οποίες θα προκαθορίσουν τη χρήση τους ως τη στοιχειώδη βάση ενός βιοϋπολογιστή.
Μόριο σκέψης
Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες σε πολλές χώρες έχουν επιστρέψει στην παλιά και απλή ιδέα ενός «χημικού» υπολογιστή, στον οποίο οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται από μεμονωμένα μόρια. Κατά τη διάρκεια του περασμένου έτους, ερευνητές από διάφορα εργαστήρια κατάφεραν να επιτύχουν λαμπρά αποτελέσματα σε αυτόν τον τομέα που υπόσχονται να αλλάξουν ριζικά την κατάσταση.
Οι επιστήμονες έχουν επιτύχει μεγάλη επιτυχία στην εργασία με μόρια ψευδοροτοξάνης (φαίνονται στο Σχ. 1).
Κατάφεραν να συνδέσουν ένα τέτοιο μόριο σε σχήμα δακτυλίου σε έναν άξονα—ένα γραμμικό μόριο. Για να αποφευχθεί το άλμα του δακτυλίου από τον άξονα, μεγάλα μοριακά θραύσματα προσαρτώνται στα άκρα του, παίζοντας το ρόλο των "καρυδιών" (χρησιμοποιήθηκαν διάφορες ομάδες δωρητών με αυτήν την ικανότητα). Όταν αντιδρά με οξύ (Η+) ή βάση (Β), ο δακτύλιος μπορεί να γλιστρήσει από το ένα άκρο του άξονα στο άλλο, «εναλλάσσοντας» τη χημική κατάσταση. Είναι αστείο ότι, καταρχήν, μια μηχανική συσκευή αναδημιουργείται σε μοριακό επίπεδο, πολύ παρόμοια με τη σύνδεση ράβδων και τροχών στις πρώτες, πιο πρωτόγονες, υπολογιστικές συσκευές του 17ου αιώνα (ωστόσο, αν θέλετε, σε αυτή τη μοριακή δομή μπορείτε επίσης να δείτε τον πιο απλό άβακα γραφείου, με ένα κότσι σε κάθε κλαδάκι).
Αυτό το κομψό μόριο χημικού διακόπτη μελετήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '90, αλλά για να εφαρμοστεί η ιδέα στην πράξη, ήταν ακόμα απαραίτητο να βρεθούν μέθοδοι για το συνδυασμό και τον έλεγχο σειρών αυτών των μινιμικροδιωδών. Έχοντας δημιουργήσει μια μονοστιβάδα πανομοιότυπων μορίων αυτού του τύπου στη μεταλλική επιφάνεια (αυτό το πολύ περίπλοκο πρόβλημα επιλύθηκε χρησιμοποιώντας τις τελευταίες νανοτεχνολογικές μεθόδους αυτοσυναρμολόγησης), οι επιστήμονες τοποθέτησαν ένα λεπτό στρώμα χρυσού σε αυτό και έχουν ήδη δημιουργήσει πρωτόγονα πρωτότυπα λογικών πυλών σε αυτή τη βάση.
Λίγους μήνες αργότερα, η κοινή ομάδα του Mark Reed και του James Tour (από τα πανεπιστήμια Yale και Rice) παρουσίασε μια άλλη κατηγορία μορίων μεταγωγής στο κοινό. Τα αποτελέσματα ήταν τόσο εντυπωσιακά που το περιοδικό Scientific American (Ιούνιος, 2000) συμπεριέλαβε ακόμη και την ανακοίνωση «The Birth of Molecular Electronics» στο εξώφυλλο (θα ήθελα να προσθέσω - τέλος!). Όπως έγραψε ένας από τους συγγραφείς με συγκρατημένη περηφάνια: «Δημιουργήσαμε ένα μόριο με μεταβλητή ηλεκτρική αγωγιμότητα που μπορεί να συσσωρεύσει ηλεκτρόνια κατά την εντολή μας, δηλαδή να λειτουργεί ως συσκευή αποθήκευσης».
Πρώτα απ 'όλα, ο James Tour, χρησιμοποιώντας μια ειδική τεχνική, συνέθεσε μια μοριακή αλυσίδα μονάδων βενζολίου-1,4-διθειολικού μήκους 14 νανόμετρων. Εισήχθησαν ομάδες σε αυτό που συλλαμβάνουν ηλεκτρόνια εάν το μόριο είναι «υπό τάση». Το πιο δύσκολο πρόβλημα, το οποίο επίσης ξεπεράστηκε, ήταν ότι η μεταγωγή πρέπει να είναι μια αναστρέψιμη χημική διαδικασία. Για να λειτουργήσει ένα μόριο ως στοιχείο αποθήκευσης, πρέπει να διδαχθεί όχι απλώς να συλλαμβάνει ηλεκτρόνια, αλλά να τα διατηρεί μόνο για μια δεδομένη χρονική στιγμή. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι ακριβώς το κύριο επίτευγμα του Reed και του Tour και των συναδέλφων τους.
Ένας ηλεκτροχημικός (με την πιο αυστηρή και κυριολεκτική έννοια του όρου!) διακόπτης φαίνεται στο Σχ. 2 (αριστερή πλευρά). Είναι μια αλυσίδα τριών δακτυλίων βενζολίου, στον κεντρικό από αντίθετες πλευρές προσαρτώνται οι ομάδες NO 2 και NH 2 (επισημαίνονται με χρώμα στο σχήμα). Μια τέτοια ασύμμετρη μοριακή διαμόρφωση δημιουργεί ένα σύννεφο ηλεκτρονίων πολύπλοκου σχήματος, με αποτέλεσμα ένα εκπληκτικά όμορφο και θεμελιωδώς σημαντικό φυσικό αποτέλεσμα για την επίλυση του προβλήματος - όταν εφαρμόζεται ένα πεδίο, το μόριο συστρέφεται, η αντίστασή του αλλάζει και αρχίζει να περνάει ρεύμα (δεξιά πλευρά του σχήματος). Όταν αφαιρεθεί το πεδίο, το μόριο περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση και επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Ένας διακόπτης που βασίζεται σε αυτή την αρχή είναι μια γραμμική αλυσίδα περίπου 1000 μορίων νιτροαμινοβενζολοθειόλης που βρίσκονται μεταξύ δύο μεταλλικών επαφών. Επιπλέον, μετρήσεις με μικροσκόπιο σήραγγας (ένα θραύσμα μοριακής αλυσίδας συγκολλήθηκε μεταξύ εξαιρετικά λεπτών ηλεκτροδίων χρυσού σε σχήμα βελόνας· η γεωμετρία του πειράματος φαίνεται στο σχήμα 3) κατέστησαν δυνατή τη λήψη των παραμέτρων λειτουργίας του διακόπτη, οι οποίες μπορεί δικαίως να ονομαστεί χαρακτηριστικό μοριακού ρεύματος-τάσης και μοριακή αγωγιμότητα (Εικ. .4). Η καμπύλη αγωγιμότητας (η οποία, παρεμπιπτόντως, αποδείχθηκε πολύ κοντά στην υπολογιζόμενη) έχει μια σαφώς καθορισμένη "βουτιά". Αυτό επιτρέπει σε τμήματα του μορίου να μεταφερθούν από μια αγώγιμη κατάσταση σε μια μη αγώγιμη κατάσταση και αντίστροφα, αλλάζοντας απλώς την εφαρμοζόμενη τάση. Επίσημα και πραγματικά αποκτημένο (ένας χημικός, φυσικά, θα προτιμήσει τον όρο «συντίθεται») μια μοριακή τριάδα. Πράγματι, αυτό μπορεί να θεωρηθεί το πρώτο στάδιο στη δημιουργία μοριακών ηλεκτρονικών.
συμπέρασμα
Αν και τα θεωρητικά θεμέλια της μοριακής ηλεκτρονικής έχουν ήδη αναπτυχθεί αρκετά καλά και έχουν δημιουργηθεί πρωτότυπα σχεδόν όλων των στοιχείων των λογικών κυκλωμάτων, προκύπτουν σημαντικές δυσκολίες στον τρόπο κατασκευής ενός μοριακού υπολογιστή. Η φαινομενικά προφανής δυνατότητα χρήσης μεμονωμένων μορίων ως λογικών στοιχείων ηλεκτρονικών συσκευών αποδεικνύεται πολύ προβληματική λόγω των ειδικών ιδιοτήτων των μοριακών συστημάτων και των απαιτήσεων για λογικά στοιχεία.
Πρώτα απ 'όλα, το λογικό στοιχείο πρέπει να έχει υψηλή αξιοπιστία λειτουργίας όταν εφαρμόζεται μια ενέργεια ελέγχου. Εάν λάβουμε υπόψη την οπτική σύνδεση μεταξύ των στοιχείων, τότε σε ένα σύστημα ενός μορίου - ενός φωτονίου, η αξιοπιστία μεταγωγής θα είναι χαμηλή λόγω της σχετικά χαμηλής πιθανότητας μετάβασης του μορίου σε διεγερμένη κατάσταση. Κάποιος μπορεί να προσπαθήσει να ξεπεράσει αυτή τη δυσκολία χρησιμοποιώντας έναν μεγάλο αριθμό κβαντών ταυτόχρονα. Αλλά αυτό έρχεται σε αντίθεση με μια άλλη σημαντική απαίτηση: η απόδοση της μετατροπής σήματος από ένα μεμονωμένο στοιχείο πρέπει να είναι κοντά στη μονάδα, δηλαδή, η μέση ισχύς αντίδρασης πρέπει να είναι ανάλογη με τη μέση ισχύ κρούσης. Διαφορετικά, όταν τα στοιχεία συνδυάζονται σε μια αλυσίδα, η πιθανότητα λειτουργίας τους θα μειωθεί καθώς απομακρύνονται από την αρχή της αλυσίδας. Επιπλέον, το στοιχείο πρέπει αναμφίβολα να μεταβεί στην απαιτούμενη κατάσταση και να παραμείνει σε αυτό για αρκετό χρονικό διάστημα - μέχρι την επόμενη πρόσκρουση. Για σχετικά απλά μόρια, αυτή η απαίτηση, κατά κανόνα, δεν πληρούται: εάν η μετάβαση στη διεγερμένη κατάσταση μπορεί να ελεγχθεί, τότε η αντίστροφη μετάβαση μπορεί να συμβεί αυθόρμητα.
Ωστόσο, δεν είναι όλα άσχημα. Η χρήση μεγάλων οργανικών μορίων ή των συμπλόκων τους επιτρέπει, καταρχήν, να παρακάμψουμε αυτές τις δυσκολίες. Για παράδειγμα, σε ορισμένες πρωτεΐνες η απόδοση ηλεκτρονιακής οπτικής μετατροπής είναι κοντά στη μονάδα. Επιπλέον, για μεγάλα βιοοργανικά μόρια, η διάρκεια ζωής της διεγερμένης κατάστασης φτάνει τα δεκάδες δευτερόλεπτα.
Αλλά ακόμα κι αν ένα μεμονωμένο μοριακό υπολογιστικό στοιχείο δεν έχει την αξιοπιστία των προκατόχων του από πυρίτιο, η αποτελεσματική λειτουργία ενός μελλοντικού υπολογιστή μπορεί να επιτευχθεί συνδυάζοντας τις αρχές της μολετρονικής και του παράλληλου υπολογισμού που χρησιμοποιούνται στους υπερυπολογιστές. Για να γίνει αυτό, πρέπει να κάνετε πολλά πανομοιότυπα μοριακά λογικά στοιχεία να λειτουργούν παράλληλα. Τότε η εσφαλμένη λειτουργία ενός από αυτά δεν θα οδηγήσει σε αισθητή αποτυχία στους υπολογισμούς. Ένας σύγχρονος υπερυπολογιστής, που λειτουργεί με βάση την αρχή του μαζικού παραλληλισμού και διαθέτει πολλές εκατοντάδες επεξεργαστές, μπορεί να διατηρήσει υψηλή απόδοση ακόμα και αν το 75% αυτών αποτύχει. Σχεδόν όλα τα ζωντανά συστήματα χρησιμοποιούν την αρχή του παραλληλισμού. Επομένως, η ατέλεια των οργανισμών σε επίπεδο μεμονωμένων κυττάρων ή γονιδίων δεν τους εμποδίζει να λειτουργήσουν αποτελεσματικά.
Σήμερα στον κόσμο υπάρχουν ήδη περισσότερα από δώδεκα επιστημονικά και τεχνολογικά κέντρα που ασχολούνται με την ανάπτυξη συσκευών μοριακής ηλεκτρονικής. Τα ετήσια συνέδρια συγκεντρώνουν εκατοντάδες ειδικούς σε αυτόν τον τομέα.
Μεγάλο ενδιαφέρον για τη moletronics προκαλείται όχι μόνο από τις προοπτικές κατασκευής ενός υπολογιστή, αλλά και από τις ευρείες δυνατότητες ανάπτυξης νέων τεχνολογιών. Λόγω της υψηλής ευαισθησίας των μοριακών ηλεκτρονικών συσκευών στο φως, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία αποδοτικών μετατροπέων ηλιακής ενέργειας, την προσομοίωση της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης και την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας δεκτών εικόνας, η αρχή λειτουργίας των οποίων θα μοιάζει με το έργο του ανθρώπου. μάτι. Οι μοριακές συσκευές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως επιλεκτικοί αισθητήρες που ανταποκρίνονται μόνο σε συγκεκριμένο τύπο μορίου. Τέτοιοι αισθητήρες χρειάζονται στην οικολογία, τη βιομηχανία και την ιατρική. Ένας αισθητήρας κατασκευασμένος από οργανικά μόρια είναι πολύ πιο εύκολο να εμφυτευθεί στο ανθρώπινο σώμα προκειμένου να παρακολουθείται η κατάστασή του.
Η επίλυση των προβλημάτων που αντιμετωπίζει η μοριακή ηλεκτρονική απαιτεί τις προσπάθειες ενός ευρέος φάσματος επιστημόνων που εργάζονται στον τομέα της ακαδημαϊκής γνώσης από τη χημεία των κολλοειδών και τη βιολογία έως τη θεωρητική φυσική, καθώς και στον τομέα της υψηλής τεχνολογίας. Επιπλέον, απαιτούνται σημαντικές οικονομικές επενδύσεις.
Είναι επίσης απαραίτητο να εκπαιδευτεί νέο υψηλά καταρτισμένο προσωπικό για να εργαστεί σε αυτόν τον πολύπλοκο τομέα, που βρίσκεται στο σημείο τομής των επιστημών. Αλλά, όπως φαίνεται, σε 10-15 χρόνια θα παίξει σημαντικό ρόλο στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Κατάλογος υλικών που χρησιμοποιούνται
Βασισμένο σε υλικά από το δίκτυο Διαδίκτυο , άρθρα:
1. Goncharova E., Bachelor of Biotechnology;
2. Zaitsev V., Shishlova A., Σχολή Φυσικής, Κρατικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. M. V. Lomonosova;
3. Krieger Yu., Διδάκτωρ Φυσικής. n.
Τα ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή είναι μια νέα κατηγορία πολυμερών που εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα. Τα τελευταία χρόνια, αυτή η κατεύθυνση στη χημεία των πολυμερών αναπτύσσεται ραγδαία. Η χρήση πολυμερών υλικών ως φορείς ηλεκτρικά αγώγιμων πληρωτικών είναι γνωστή εδώ και πολύ καιρό. Τα παραδοσιακά ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή υλικά είναι συνθέσεις που βασίζονται σε διάφορα πολυμερή (θερμοσκληρυνόμενα πλαστικά) και ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά πλήρωσης (μαύρος άνθρακας, γραφίτης, άνθρακας, μέταλλα και επιμεταλλωμένες ίνες, μεταλλική σκόνη) και χρησιμοποιούνται σε αντιστατικά προϊόντα, ηλεκτρομαγνητικές προστατευτικές επικαλύψεις, υψηλή -αντιστάσεις αντίστασης, ηλεκτρικές μη μεταλλικές θερμάστρες και αγώγιμα βερνίκια. Ωστόσο, επί του παρόντος, έχουν εμφανιστεί νέα υλικά στα οποία τα ίδια τα μακρομόρια ή οι υπερμοριακοί σχηματισμοί που κατασκευάζονται με συγκεκριμένο τρόπο, τα λεγόμενα «υπερμόρια» συνεργάτες, που περιλαμβάνουν οργανικά μακρομόρια και ανόργανα ιόντα στη δομή τους, έχουν ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Τα βραβεία Νόμπελ έχουν πρόσφατα απονεμηθεί επανειλημμένα για την ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης στην επιστήμη. Για παράδειγμα, το 1996 το βραβείο απονεμήθηκε στον Άγγλο G. Croto και στους Αμερικανούς R. Karl και R. Smellie για την ανακάλυψη των φουλερενίων. Το 1999, το βραβείο απονεμήθηκε στον De Gennes για τη θεωρία των υγρών μοριακών κρυστάλλων· το 2000, το βραβείο απονεμήθηκε στον Αμερικανό Allan Heeger και στους χημικούς A. McDiarmid (ΗΠΑ) και H. Shirakawa (Ιαπωνία) για την ανάπτυξη ηλεκτρικών αγώγιμα πολυμερή. Και τέλος, το 2003, το Ginzburg (Ρωσία) για την ανάπτυξη της θεωρίας της αγωγιμότητας στα πολυμερή.
Μπορεί κανείς να φανταστεί τρεις κύριες επιλογές για τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε μια μακρομοριακή ουσία: 1 - μεταφορά ηλεκτρονίων που πραγματοποιείται από μόρια οξειδοαναγωγής που παίζουν το ρόλο των κινητών φορέων. Η μεταφορά μπορεί να συνοδεύεται ή όχι από τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από τον ένα φορέα στον άλλο όταν συναντώνται. 2 - Μεταφορά ηλεκτρονίων «πηδώντας» μεταξύ οξειδοαναγωγικών ομάδων που σχετίζονται με το κύριο μοριακό πλαίσιο ή συναρμολογούνται σε έναν υπερμοριακό σύνδεσμο λόγω μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. 3 - ηλεκτρονική αγωγιμότητα κατά μήκος ενός συστήματος συζευγμένων δεσμών t, το οποίο μπορεί να περιλαμβάνει άλλες ομάδες ικανές να μεταφέρουν ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, τεταμένες κυκλικές δομές, ετεροάτομα που έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια που δεν συμμετέχουν στο σχηματισμό δεσμών. Τόσο τα οργανικά όσο και τα ανόργανα συστατικά μπορούν να συμμετέχουν στη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Στην ιδανική περίπτωση, για πολυμερή με σύστημα συζευγμένων διπλών δεσμών, είναι δυνατοί δύο τύποι ουσιών με συζευγμένους δεσμούς: με μισογεμάτη ζώνη (μεταλλικό μοντέλο) και με πλήρως γεμάτη ζώνη (μοντέλο ημιαγωγών). Σε όλες τις περιπτώσεις, η επιμήκυνση των θέσεων σύζευξης που επιτυγχάνεται στα πολυμερή θα πρέπει να οδηγεί σε αύξηση της αγωγιμότητας, καθώς συνοδεύεται τόσο από μείωση του κενού ζώνης όσο και από μείωση του αριθμού των διαμοριακών φραγμών που πρέπει να ξεπεράσουν οι φορείς ρεύματος κατά την κατευθυνόμενη κίνησή τους υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Ο μηχανισμός αγωγής των πολυμερών πρέπει να περιλαμβάνει τα ακόλουθα στοιχεία: την εμφάνιση ελεύθερων φορέων ρεύματος, την κίνηση αυτών των φορέων στην περιοχή πολυσύζευξης και τη μετάβαση των φορέων από τη μια θέση σύζευξης στην άλλη. Υποτίθεται ότι το πολυμερές είναι ένα ηλεκτρονικά ανομοιογενές σύστημα στο οποίο οι περιοχές πολυσύζευξης που χαρακτηρίζονται από μεταλλική αγωγιμότητα διαχωρίζονται από διηλεκτρικές περιοχές. Η μεταφορά φορέων μέσω διηλεκτρικών στρωμάτων είναι το φράγμα ενεργοποίησης. Οι ημιαγωγικές ιδιότητες ενός πολυμερούς θα πρέπει να εξαρτώνται από το συνολικό μήκος του συστήματος των συζευγμένων δεσμών, την ομοεπίπεδη δομή της κύριας αλυσίδας, τη φύση των πλευρικών ομάδων, την παρουσία στην αλυσίδα σύζευξης ετεροατόμων που έχουν ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τροχιά που δεν εμπλέκονται στο σχηματισμό χημικού δεσμού κ.λπ.
Τα πολυμερή με συζευγμένους δεσμούς έχουν ημιαγώγιμες ιδιότητες και μπορούν να εγχυθούν με ηλεκτρόνια από ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο που είναι συνδεδεμένο σε αυτά. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων πολυμερών είναι ευαίσθητη στο φως και ως εκ τούτου διάφορες φωτοευαίσθητες συσκευές, όπως οδηγοί φωτός πολυμερούς, μπορούν να δημιουργηθούν με βάση τους. Με βάση τέτοια πολυμερή, έχουν ήδη δημιουργηθεί οδηγοί φωτός, τρανζίστορ ημιαγωγών και θηρίστορ. Στο εγγύς μέλλον, με βάση τέτοια πολυμερή, είναι πιθανό να δημιουργηθούν πραγματικές επίπεδες οθόνες τηλεόρασης, οδικές πινακίδες, επίπεδες οθόνες υπολογιστών και εσωτερικοί τοίχοι ιατρικών ιδρυμάτων που λάμπουν με λευκό φως.
Η ηλεκτρονική δομή των μορίων πολυμερών με συζευγμένους δεσμούς σε μη διεγερμένη κατάσταση βρίσκεται σε ισορροπία και η ηλεκτρική αγωγιμότητά τους είναι κατά κανόνα χαμηλή (περίπου ~ 10"10 ohm cm~1).Για να μετατραπούν τέτοια πολυμερή σε ηλεκτροαγώγιμα, τροποποιούνται χημικά ή ηλεκτροχημικά - "ντόπινγκ". Ντόπινγκ - αυτή είναι η διαδικασία μετάδοσης ιδιοτήτων ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα πολυμερή Ανάλογα με το συστατικό ντόπινγκ, το p-doping διακρίνεται όταν το στοιχείο ντόπινγκ έλκει ηλεκτρόνια προς τον εαυτό του και το n-ντόπινγκ, όταν το Το στοιχείο ντόπινγκ δωρίζει ηλεκτρόνια Η τεχνική ντόπινγκ είναι απλή, αλλά έχει τις δικές της ιδιαιτερότητες, καθώς είναι επιθυμητό να επιτευχθεί όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη κατανομή του «προσμίκτη» (της ουσίας με την οποία έχει προστεθεί το πολυμερές).
Λεπτές μεμβράνες πολυακετυλενίου, για παράδειγμα, που εναποτίθενται ως επικαλύψεις σε ένα πολυμερές υπόστρωμα (πολυαιθυλένιο, γυαλί, κ.λπ.) λαμβάνονται με βύθιση του φορέα σε ένα διάλυμα καταλύτη, το οποίο μπορεί να είναι NaBH4xCo(NO3)2 σε θερμοκρασία -80°, και στη συνέχεια στους -30° το επεξεργασμένο υπόστρωμα εισάγεται σε ατμόσφαιρα ασετυλενίου. Σε αυτή την περίπτωση, ο πολυμερισμός της ακετυλενίου που έχει απορροφηθεί στο υπόστρωμα γίνεται σε λίγα δευτερόλεπτα. Μετά την απομάκρυνση του καταλύτη, η προκύπτουσα μεμβράνη πολυακετυλενίου επεξεργάζεται με πρόσμιξη (για παράδειγμα, ατμός ιωδίου: αγωγιμότητα μεγαλύτερη από 200 ohm^cm"1). Ένας τέτοιος ημιαγωγός είναι ένας ημιαγωγός τύπου p (η κίνηση των (+) φορτίων - "οπών" μετά την εισαγωγή ενός προσμίκτη στο πολυμερές αυξάνει ένα τρισεκατομμύριο φορές, γεγονός που εξασφαλίζει αγωγιμότητα). Το πενταφθόριο αρσενικό, το χλώριο, το βρώμιο αυξάνουν p -τύπου αγωγιμότητα Η εισαγωγή των K, Na, AsF5 (πάνω από 1%) αλλάζει δραματικά την αγωγιμότητα από τρύπα σε μέταλλο, η τιμή της οποίας εξαρτάται από την ποσότητα της πρόσμιξης. Τα πολυμερή φύλλα από πολυακετυλένιο είναι ικανά να μετατρέπουν την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια με απόδοση κοντά σε αυτή των ηλιακών κυψελών πυριτίου (μετά τη θερμοκαταλυτική γήρανση, η αγωγιμότητα είναι 105 ohm^.cm"1).
Σε αντίθεση με το ακετυλένιο, το πυρρόλιο (που προέρχεται από λιθανθρακόπισσα) πολυμερίζεται πολύ πιο εύκολα με ηλεκτροχημικά μέσα. Η πολυπυρρόλη σχηματίζει μια μεμβράνη σε ένα από τα ηλεκτρόδια της κυψέλης όταν διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το διάλυμά της. Το ντόπινγκ της πολυπυρρόλης πραγματοποιείται επίσης με την ηλεκτροχημική μέθοδο. Οι ιδιότητές του σταθεροποιούνται με την απόθεσή του σε πορώδη μεμβράνη PVC. Η χρήση μεμβράνης εξασφαλίζει ελεύθερη ροή ιόντων. Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται ηλεκτρόδια πολυπυρρολίου, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες. Είναι επίσης δυνατή η παραγωγή πλακών με συμπίεση σκόνης πολυπυρρόλης που λαμβάνεται με πολυμερισμό σε διάλυμα (μεθανόλη, οξειδωτικός παράγοντας FeCl3 + FeCl2, δυναμικό οξείδωσης 500 mV, πυρρόλιο/FeCl3 - 233, 0-20°, 20 λεπτά). Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του προκύπτοντος πολυμερούς είναι 190-220 ohm"1, cm"1. Τα φιλμ πολυπυρρολίου παρασκευάζονται με εναπόθεση από ένα υδατικό διάλυμα PeCl3 σε ένα υπόστρωμα τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου επικαλυμμένο με μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα. Άλλες μέθοδοι ντόπινγκ έχουν επίσης περιγραφεί.
Ως αποτέλεσμα της χημικής αλληλεπίδρασης με δότες ηλεκτρονίων ή δέκτες ηλεκτρονίων, η αγωγιμότητα των παραπάνω πολυμερών με συζευγμένους διπλούς δεσμούς μπορεί να φτάσει την αγωγιμότητα του υδραργύρου. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών σχετίζεται με την κινητικότητα των ηλεκτρονίων στα μόρια του πολυμερούς, στα οποία το νέφος ηλεκτρονίων CS, που σχηματίζεται από ένα σύστημα συζευγμένων δεσμών κατά τη διάρκεια του ντόπινγκ, έρχεται σε διεγερμένη κατάσταση. Αυτή η κατάσταση παρέχει ηλεκτρική αγωγιμότητα κοντά στη μεταλλική.
Οι συζευγμένες αλυσίδες πολυολεφίνης, που φέρουν μια ομάδα έλξης ηλεκτρονίων στο ένα άκρο και μια ομάδα δότριας ηλεκτρονίων στο άλλο, είναι πολωμένα μοριακά σύρματα που πρέπει να επιδεικνύουν προτιμησιακές ιδιότητες μεταφοράς ηλεκτρονίων, έχοντας αγωγιμότητα «οπής» ή «ηλεκτρονίου», δηλ. θα πρέπει να λειτουργούν ως ανορθωτές. Έχουν περιγραφεί αρκετές τέτοιες συσκευές. Οι συγγραφείς της εργασίας προτείνουν ότι η περαιτέρω ανάπτυξη της εργασίας για τον «σχεδιασμό» των μοριακών συρμάτων μπορεί να πραγματοποιηθεί προς τις ακόλουθες κατευθύνσεις: 1 - αντικατάσταση του συζευγμένου θραύσματος πολυολεφίνης με δομές όπως συμπυκνωμένα ολιγοθειοφαίνια, ολιγοπυρρόλια, αρωματικές ομάδες ή κέντρα συντονισμού μετάλλων. 2 - παραλλαγή των τερματικών ομάδων που δραστηριοποιούνται σε διεργασίες οξειδοαναγωγής, οι οποίες ταυτόχρονα μπορούν επίσης να παίξουν το ρόλο μιας «αγκύρωσης» που συνδέει το μόριο του αγωγού στο υπόστρωμα. 3 - οργάνωση θραυσμάτων που παίζουν το ρόλο μοριακών συρμάτων που σχηματίζονται μέσω συσχέτισης και αυτοσυναρμολόγησης με βάση τις διαδικασίες αναγνώρισης.
Οι πρώτες γενιές πολυμερών με ένα εξαιρετικά ανεπτυγμένο σύστημα συζευγμένων δεσμών, που εμφανίστηκαν στη δεκαετία του ογδόντα του περασμένου αιώνα, χαρακτηρίστηκαν από περιορισμένη διαλυτότητα, ήταν μη εμποτισμένα και δύσκολο να συμπιεστούν. Από τότε, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει εγγενώς αγώγιμα πολυμερή (ICPs) που μπορούν να υποστούν επεξεργασία σε σκόνες, φιλμ και ίνες χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μεθόδων χρησιμοποιώντας διαλύτες και καταλύτες. Η νέα γενιά PVP είναι πιο εύκολη στην επεξεργασία. Είναι σταθερά στον αέρα και μπορούν ακόμη και να αναμειχθούν με άλλα πολυμερή για να ληφθούν ενώσεις με την επιθυμητή ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Σύμπλοκα πολυμερών με μέταλλα, ιδιαίτερα με μέταλλα μεταβατικού σθένους, στα οποία οι υποδοχείς είναι πολυμερείς οργανικές δομές με σύστημα συζευγμένων δεσμών και τα υποστρώματα είναι μέταλλα μεταβατικού σθένους, περιγράφονται επίσης στη βιβλιογραφία ως ηλεκτρικά αγώγιμα και ημιαγώγιμα υλικά.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι σύνδεσης ενός υποστρώματος σε έναν υποδοχέα, ανάλογα με τη χωρική δομή του μορίου του υποδοχέα. Εάν η σύνδεση του υποστρώματος και του υποδοχέα συμβαίνει μέσω μιας κοιλότητας που υπάρχει στη χωρική δομή του μορίου του υποδοχέα, τότε τέτοια σύνολα ονομάζονται συχνά σύμπλοκα εγκλεισμού ή κρυπτά. Μεταβάλλοντας τη φύση και τον αριθμό των θραυσμάτων και των συνδετικών γεφυρών που εμπλέκονται στη δέσμευση, είναι δυνατό να ληφθούν διάφορες μακροπολυκυκλικές δομές, οι οποίες, όταν συνδέονται με μεταλλικά ιόντα, δίνουν διπύρηνα κρυπτά διαφόρων τύπων. Πολλοί συνδέτες έχουν συντεθεί για να σχηματίσουν διπυρηνικά σύμπλοκα. Για αυτό, χρησιμοποιήθηκαν διάφορες αντιδράσεις όπως αμίνη + καρβονύλιο = ιμίνη. Αυτοί οι συνδέτες σχηματίζουν διπυρηνικά μεταλλικά σύμπλοκα καθώς και σύμπλοκα καταρράκτη με ομάδες γεφύρωσης.
Έχει περιγραφεί ένας μεγάλος αριθμός δομών που σχηματίζονται από πολυπυρηνικά σμήνη μετάλλων, τα οποία χαρακτηρίζονται από διάφορες γεωμετρικές παραμέτρους. Ορισμένες από αυτές τις συστάδες μπορούν να χρησιμεύσουν ως πρωτότυπα «υπερμοριακών» μετάλλων και να έχουν μεταλλική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Λήφθηκαν γιγαντιαίες συστάδες που περιείχαν 70-146 άτομα χαλκού ή 309-561 άτομα παλλαδίου, που εμφανίζουν μεταλλικές ιδιότητες. Οι χηλικές ενώσεις μετάλλων είναι επίσης ελπιδοφόρες.
Διάφορα παράγωγα φουλερενίου χρησιμοποιούνται επίσης ως ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή.
Τα αγώγιμα πολυμερή χρησιμοποιούνται κυρίως ως αντιδιαβρωτικά επιχρίσματα για την προστασία μεγάλων μεταλλικών κατασκευών όπως οι γέφυρες. Τα πολυμερή με πρόσμιξη χρησιμοποιούνται επί του παρόντος ως διάφορα αντιστατικά πρόσθετα, ειδικότερα, ένα αντιστατικό στρώμα πολυανιλίνης προστατεύει τους δίσκους υπολογιστών που παράγονται από την Hitachi. Τέτοια πολυμερή παρουσιάζουν ενδιαφέρον για επικαλύψεις κατά του ραντάρ, στη δημιουργία οδηγών φωτός, σε τεχνολογίες μεμβράνης για το διαχωρισμό πολικών υγρών και αερίων, για ευαίσθητα αέρια και αισθητήρες, σε λιθογραφικές διαδικασίες και φωτογραφία. Η διαδικασία του ντόπινγκ και της αποφόρτισης των πολυμερών μπορεί να ελεγχθεί από εξωτερική τάση, η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ελαφρών μπαταριών.
Μια πολλά υποσχόμενη κατεύθυνση για τη χρήση ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών που είναι εύκολο να σχηματιστούν και να επεξεργαστούν είναι η σμίκρυνση στη μικροηλεκτρονική χρησιμοποιώντας εξαρτήματα της επιθυμητής διαμόρφωσης με διαστάσεις σε μοριακό επίπεδο σε ηλεκτρονικά κυκλώματα στερεάς κατάστασης. Είναι πιθανό ότι ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή θα χρησιμοποιηθούν σε πυκνωτές, στοιχεία μνήμης υπολογιστή και φωτομετατροπείς. Πρόσφατα, έχουν εμφανιστεί πολλές δημοσιεύσεις, ειδικά στο Διαδίκτυο, σχετικά με άλλους τομείς εφαρμογής ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών. Ορισμένα από αυτά αναφέρεται ότι αλλάζουν χρώμα όταν εκτίθενται σε ηλεκτρική τάση ή χημικές επιδράσεις, κάτι που χρησιμοποιείται στη δημιουργία ηλεκτρονικών οπτικών διακοπτών και συσκευών μνήμης. Τα ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή είναι ελπιδοφόρα για τη δημιουργία διαστοιχειακών συνδέσεων με διαστάσεις του μοριακού υποεπίπεδου (1 nm), για την κατασκευή καλωδίων υψηλής τάσης ντοπαρισμένων με τέτοιο τρόπο ώστε το κεντρικό τμήμα να είναι το αγώγιμο μέρος και το εξωτερικό μέρος ο μονωτής. σε διάφορες συσκευές ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού και ηλεκτρικών οργάνων.
Η πρόοδος της τεχνολογίας των υπολογιστών συνδέεται με έναν συνδυασμό ηλεκτρονικών και οπτικών μεθόδων επεξεργασίας πληροφοριών. Οι φωτοηλεκτρονικοί υπολογιστές λειτουργούν χιλιάδες φορές πιο γρήγορα, με υψηλή πυκνότητα καταγραφής πληροφοριών. Η ολογραφική εξωτερική μνήμη που βασίζεται στο φωτοδιαθλαστικό αποτέλεσμα (αλλαγή των φυσικών ιδιοτήτων υπό την επίδραση του φωτός) παρέχεται, για παράδειγμα, από το φωτοαντιδραστικό πολυ-1CG-βινυλοκαρβαζόλιο.
Οι ερευνητές της Kodak απέκτησαν ένα πολυμερές φιλμ τριών στρωμάτων που διπλασιάζει τη συχνότητα της ακτινοβολίας που προέρχεται από ένα λέιζερ ημιαγωγών - μεταφέρει φως από το εγγύς υπέρυθρο φάσμα στο ορατό μπλε, το οποίο επιτρέπει την πιο πυκνή καταγραφή πληροφοριών σε έναν συμπαγή δίσκο. Με την αλλαγή της σύνθεσης των πλευρικών ομάδων του πολυακετυλενίου, προέκυψε πολυδιακετυλένιο, το οποίο είναι πιο εύκολα διαλυτό. Είναι ευκολότερο να σχηματιστούν φιλμ, τα οποία είναι φωτοδιαθλαστικά ημιαγωγοί υγρών κρυστάλλων. Χρησιμοποιώντας αγώγιμα πολυμερή, έχουν αναπτυχθεί τρανζίστορ με πύλη και ηλεκτρονικοί διακόπτες (το ηλεκτρικό ρεύμα μεταξύ της εισόδου και της εξόδου ελέγχεται από ένα ειδικό ηλεκτρόδιο πύλης). Η μετάβαση σε αμιγώς πολυμερείς συσκευές θα επιτρέψει τη χρήση απλών μεθόδων μεταξοτυπίας σε μονωτικό στρώμα φιλμ τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου. Σε μια τέτοια συσκευή, μια πάστα εφαρμόζεται σε μια μεμβράνη τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου, η διπλή στιβάδα στερεώνεται σε μια εύκαμπτη ταινία μήτρας και τα ηλεκτρόδια εισόδου και εξόδου κατασκευάζονται στην κορυφή του μονωτή από το ίδιο ηλεκτρικά αγώγιμο πολυμερές (οργανικός ημιαγωγός - διεξυλσεσκιτοφένιο, που περιέχει έξι μπλοκ θειοφαινίου). Οι βαριές μπαταρίες μολύβδου, καδμίου-νικελίου, σιδήρου-νικελίου έχουν πλέον αντικατασταθεί από μπαταρίες λιθίου. Η χρήση ηλεκτρικά αγώγιμων πολυμερών για την κατασκευή ενεργών μερών πηγών ρεύματος καθιστά δυνατή την εξάλειψη της χρήσης ρεύματος μη σιδηρούχων μετάλλων για αυτές και θα μειώσει το βάρος των μπαταριών στο μισό, θα εξασφαλίσει ηλεκτροχημική αναστρεψιμότητα, θα εφαρμόσει υψηλή ειδική ισχύ και ενέργεια ένταση και τεχνολογία χωρίς απόβλητα για την παραγωγή τους.
Έχει αναπτυχθεί μια σειρά από ενδιαφέροντα αγώγιμα πολυμερή. Έτσι, ένα πήκτωμα που βασίζεται σε πολυκροτονικό οξύ σε ασθενώς αλκαλικά υδατικά διαλύματα είναι ικανό να αλλάξει τον όγκο του υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος. Η βρετανική εταιρεία Geloweiten έχει αναπτύξει ένα υλικό που μπορεί να αλλάξει τις ιδιότητές του από διηλεκτρικό σε αγωγό. Στην Αγγλία, πολυμερή LED έχουν αναπτυχθεί με βάση πολυμερή με εναλλασσόμενες ομάδες φαινυλενίου και βινυλίου και πλευρικές ομάδες OC6H13 και CN. Όταν ένα τέτοιο φιλμ τοποθετηθεί ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, εκπέμπει ένα κιτρινοπράσινο φως. Είναι πολλά υποσχόμενα για τη δημιουργία οθονών και οθονών τηλεόρασης.
«Η χημική βιομηχανία σήμερα», Νο. 5, 2007
Διαφημίσεις για αγορά και πώληση εξοπλισμού μπορείτε να δείτε στο
Μπορείτε να συζητήσετε τα πλεονεκτήματα των εμπορικών σημάτων πολυμερών και τις ιδιότητές τους στο
Καταχωρίστε την εταιρεία σας στον Κατάλογο Επιχειρήσεων