Новая область молекулярной электроники, использующая наноразмерные молекулы в качестве ключевых компонентов компьютеров и других электронных устройств, находится в отличном состоянии и имеет большое будущее, заключают химики Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе, Калифорнийского технологического института и Калифорнийского технологического института в Санта-Барбаре, которые оценивают поле в выпуске журнала Science от 17 декабря.
«Молекулярная электроника находится в зачаточном состоянии, и ее юность и взрослость будут очень захватывающими, поскольку мы стремимся к обещанию молекулярной электроники: меньше, универсальнее и эффективнее», - сказал Амар Флад, исследователь Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе во Фрейзере. Группа супрамолекулярной химии Стоддарта и ведущий автор научной статьи.
«Сочетание активных молекул с электронными схемами открывает новые захватывающие области науки», - сказал Флуд. «Слишком рано точно предсказывать, что получится в результате этого брака, но мы ожидаем, что уникальные свойства молекул, включая зрение, вкус и обоняние, могут получить очень хороший эффект, если объединить их с кремнием».
Первые приложения, скорее всего, будут включать гибридные устройства, сочетающие молекулярную электронику с существующими технологиями, такими как кремний, сказал Стоддарт, директор Калифорнийского института наносистем (CNSI), заведующий кафедрой Фреда Кавли в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе по наносистемным наукам.
Молекулярные электронные компоненты уже работают, говорят Стоддарт, Флад и соавторы Джеймс Р. Хит, профессор химии Элизабет В. Гиллун в Калифорнийском технологическом институте и член научного совета CNSI; и Дэвид Стюерман, научный сотрудник CNSI по физике в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Например, было продемонстрировано, что работают логические вентили, схемы памяти, выпрямители, датчики и многие другие фундаментальные компоненты.
За последние пять лет прогресс в использовании молекул в качестве активных компонентов электронных схем быстро продвинулся вперед. Хит описывает прогресс как «реальный и быстрый».
Мы опубликовали 64-битные схемы памяти с произвольным доступом, используя бистабильные молекулы ротаксана в качестве элементов памяти, и мы находимся в процессе изготовления 16-килобитной схемы памяти с плотностью устройств, которая намного превосходит современные технологии, - сказал Хит. «На графике закона Мура наша схема памяти имеет такую же плотность, как Intel-подобные схемы, которые будут производиться через десятилетия».
«Мечты, которые у меня были менее десяти лет назад, становятся реальностью в наших лабораториях», - сказал Стоддарт, чьи области знаний включают наноэлектронику, механически связанные молекулы, молекулярные машины, молекулярные нанотехнологии, процессы молекулярной самосборки и молекулярное распознавание, среди многих других областей химии.
«Хотя многие классы молекул могут быть использованы для молекулярной электроники, пока оценен лишь небольшой процент из них», - сказал Флад.
За последнее десятилетие ученые всего мира взяли несколько модельных молекулярных систем, включая бистабильные катенаны и ротаксаны, и рассмотрели многие из фундаментальных научных принципов, связанных с использованием их потенциала в электронных схемах.
Исследование, кратко изложенное в журнале Science, описывает эксперименты, в которых команда Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе использовала свои бистабильные катенаны и ротаксаны во многих различных средах. Например, они используют бистабильные молекулы в средах, удобных для химиков, например, в фазе растворения, и в средах, удобных для инженеров: в электронных схемах.
Хит сказал: «Теперь мы можем количественно сопоставить свойства бистабильных катенанов и ротаксанов в фазе раствора, где их легко исследовать, с устройством, где их гораздо труднее исследовать. В конечном счете, мы хотели бы контролировать свойства устройства с помощью молекулярного синтеза. Эта статья в Science подчеркивает тот факт, что мы начинаем достигать этой цели».
Команда Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе подтвердила, что бистабильные катенаны и ротаксаны работают как молекулярные переключатели, которые можно включать и выключать, когда они прикреплены к поверхностям и когда они погружены в полимерные смеси с консистенцией резиновой шины.
«Когда мы подаем положительное напряжение, они включаются, а когда мы подаем отрицательный импульс напряжения, они мгновенно выключаются», - сказал Стоддарт. «Мы проверили, что один и тот же механизм работает в устройстве, в растворе и в двух других средах. Кроме того, мы измерили, насколько быстро бистабильные молекулы переключаются в разных средах. Мы можем замедлить переключение порядка 10 000 раз. раз при переходе от раствора к устройству. То, что занимает 10 минут в устройстве, занимает одну десятую секунды в растворе. Этот тип управления позволяет нам хранить биты памяти, используя эти молекулы."
Роль окружающей среды на скорость переключения молекул подробно рассматривается в последнем выпуске Chemistry - A European Journal за 2004 год (том 10, стр. 6, 558).
Команда Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе также может воспроизвести красный, зеленый и синий цвета в одной молекуле. Изменение цвета с красного на зеленый выделено на фотографиях, опубликованных в Angewandte Chemie International Edition ранее в этом месяце (том 43, страница 6, 486). Если молекулярные переключатели Стоддарта будут включены в компьютеры будущего поколения, то также появится перспектива использования тех же молекулярных переключателей в качестве основы для дисплеев в этих и других новых технологиях. Команда Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе работает с несколькими типами молекулярных переключателей, каждый из которых обладает уникальными характеристиками.
Хотя это исследование может существенно повлиять на компьютерную индустрию, оно также может оказать существенное влияние на самые разные области применения информационных технологий, заявили Хит и Стоддарт. Эти потенциальные результаты признаются тем фактом, что их исследования финансируются Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов.
CNSI, совместное предприятие Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, изучает силу и потенциал организации и манипулирования материей атом за атомом, молекула за молекулой для создания «новых устройств». и системы, которые расширят возможности многих существующих технологий и будут способствовать коммерческому развитию, выходящему далеко за рамки всего, что мы могли себе представить до сих пор», - сказал Стоддарт.