Молекулярный реверс не выдумывал никто, он сам случился. Чем плотней укладывали инженеры BIC макромолекулы в мозгу киборгов, чем компактнее записывали информацию не только на нитях молекул, но и за счет их трехмерного соотношения, тем выше были шансы у реверса. Открыли его тоже случайно, как и создали, — просто однажды обнаружилось, что неповрежденный кибермозг в покоящемся, но неотключенном состоянии восстанавливает прежнее расположение молекул.
Александр и Людмила Белаш. Война кукол.
Основания для оптимизма
Химия — наука разветвленная, она тесно переплетается, наверное, со всеми другими. И принято считать, что в наибольшей степени — с биологией и медициной. Однако появилось одно несколько неожиданное направление, где химия играет определяющую роль. Это электроника на основе органических материалов, или просто «органическая электроника». Она использует органические малые и полимерные молекулы, а также дендримеры — разветвленные макромолекулы с регулярной симметричной структурой, с обобщенной -электронной системой.
Все видят и знают, как бурное развитие полупроводниковой электроники на основе неорганических материалов за последние пятьдесят лет преобразовало жизнь людей. Компьютеры и другие многочисленные электронные устройства проникли во все сферы деятельности. Возможности электроники растут, а размеры устройств уменьшаются. В 1965 году, на заре компьютерной эры, директор одного из отделов исследовательской компании «Fairchild Semiconductors» Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться каждые год-два. Долгое время этот эмпирический «закон Мура» выполнялся, и лишь в последние годы начал вырисовываться физический предел размера элементов схем.
Один из путей решения этой проблемы — электроника на основе отдельных органических молекул. Идея использования отдельных молекул в качестве активных элементов электроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. С одной стороны, поведение молекул весьма сложно и разнообразно, отчего бы им не вести себя, как элементы электроники? С другой стороны, молекула — естественный предел миниатюризации. И многочисленные исследования электрических свойств различных органических материалов открывают путь к новой электронике — предсказание Фейнмана начинает сбываться. Первый шаг сделал в 1974 году Иоахим Ратнер, который наблюдал эффект выпрямления тока, протекающего через молекулу. И новое направление начало развиваться.
А уже в 1977 году Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидеки Ширакава с соавторами опубликовали знаменитую статью о проводящих свойствах полиацетилена, обработанного парами галогенов. Эти трое ученых получили Нобелевскую премию по химии 2000 года «за открытие и исследования электропроводящих полимеров».
Сложных органических молекул очень много, их свойства — химические и электронные — весьма разнообразны. Можно синтезировать миллионы различных молекул, заменяя в них отдельные блоки, как в детском конструкторе, и создавать таким образом большие (полимеры и дендримеры) и малые молекулы, тонко дифференцируя их функции. Многие молекулы можно легко растворять в химических растворителях и этим раствором, как чернилами, печатать схемы на принтерах. Уже это одно создает колоссальные технологические и экономические преимущества. Дешевизна материалов и производства открывает перед органической электроникой новые области применения.
Типичные же недостатки органических материалов — дрейф параметров и низкая подвижность зарядов. Поэтому про органические СВЧ -транзисторы не заикаются даже фантасты… впрочем, и без них — непочатый край работы и множество применений. Стабильность материалов в результате поисков увеличивается, хорошие результаты дает также сочетание достоинств органических и неорганических материалов в органо-неорганических нанокомпозитах. С другой стороны, многие электронные устройства в настоящее время быстро устаревают морально и поэтому требуют значительно меньше часов наработки.
Что уже внедрено
Сегодня органическая электроника — одно из самых новых и перспективных направлений в электронике в зоне контакта (иногда говорят «на стыке», но как раз «стыка» быть не должно) физики твердого тела, молекулярной физики и органической химии. Она ставит своей целью перевод электронных устройств на новую элементную базу. В этой огромной области работают почти все ведущие научные центры и многочисленные большие и малые фирмы во всех развитых и многих развивающихся странах мира.
1
Структурные формулы примеров молекулярных устройств: проводника (I), диода (II), транзистора (III), переключателя на основе ротаксана (IV), электролюминесцентной молекулы (V), мотора (VI), магнита (VII). Пример проводника — обыкновенная линейная молекула кватерфенила. Тиольные группы на концах позволяют химически присоединиться к электродам из золота или серебра, на которые подается электрический потенциал. А подобная молекула, содержащая специальные группы, которые делают молекулу несимметричной, — это уже диод или транзистор. Управление в транзисторе производится внешним электрическим полем либо через специальные боковые группы. Донорные и акцепторные группы в моторе по-разному взаимодействуют с внешним электрическим полем, в результате происходит вращение вокруг оси молекулы. Пример молекулярного магнита — высокоспиновый полирадикал
Электронные устройства на основе ансамблей органических молекул разрабатываются и исследуются последние годы очень широко. Созданные устройства легко интегрируются в обычную электронику, результат быстро выходит на рынок. Лучший пример — органические электролюминесцентные диоды. В них происходит рекомбинационная люминесценция электронов и дырок, образующихся при инжекции с электродов. Весьма вероятно, что такой диод есть у вас в кармане — это дисплей сотового телефона и цифрового фотоаппарата. Уже начат промышленный выпуск мониторов, телевизоров и других устройств отображения информации на таких диодах, которые уверенно вытесняют жидкокристаллические (кстати, рабочий элемент в них — органические жидкие кристаллы). Эффективность лучших электролюминесцентных устройств перевалила через отметку 20%, это больше, чем у люминесцентных ламп. Срок их службы достигает 20—50 тысяч часов, что дает возможность использовать их для освещения; дополнительные преимущества — отсутствие ртути и мгновенность включения. Поэтому очень быстрыми темпами идет разработка различного рода осветительных устройств, и возможно, что люминесцентные лампы уступят место под солнцем именно им. Кстати…
Место под солнцем
Другое важное направление органической электроники, которое входит в фазу коммерциализации, — солнечные элементы. В наиболее часто встречающемся типе солнечных элементов действующее вещество — смесь полимеров, которые поглощают солнечное излучение и выделяют электроны. Их «собирают» фуллерены или другие соединения, и затем они поступают во внешнюю цепь. Эффективность лучших лабораторных образцов таких элементов — 8% (у «тандемных» элементов, состоящих из двух частей, которые поглощают свет в коротковолновой и длинноволновой областях спектра, — 11%), это меньше, чем у неорганических элементов, но дешевизна органических конкурентов делает их производство выгодным даже при эффективности 3%. Органические материалы применяются и в так называемых сенсибилизированных солнечных элементах, эффективность которых также достигла 11%. Такие солнечные элементы состоят из нанокристаллов оксида титана, покрытых светопоглощающими молекулами органического красителя и погруженных в раствор электролита. Свет, попадающий на краситель, высвобождает электроны и создает «дырки» — области положительного заряда. А полупроводящие частицы оксида захватывают и переводят их во внешнюю цепь, создавая электрический ток.
А еще органические солнечные элементы можно будет даже встроить в одежду.
Гладко будет на этой бумаге
Еще одно простое и перспективное устройство, имеющее множество применений, — электронная бумага. Это технология отображения информации, основанная на электрофорезе и разработанная для имитации обычной печати на бумаге. Благодаря работе в отраженном свете электронная бумага потребляет мало энергии, она тонкая и не требует подсветки. Созданное на экране изображение может сохраняться долго — до нескольких недель, не требуя при этом каких-либо затрат энергии. Такая бумага представляет собой тонкую жидкую пленку из электрохромного материала — электронных чернил, расположенную между двумя электродами, один из которых прозрачный. Электронные чернила — это прозрачный жидкий гель, который содержит микрокапсулы, наполненные белыми и черными микрочастицами. Они заряжены и поэтому реагируют на полярность приложенного напряжения. Электронные книги позволят сберечь миллионы деревьев, используемых для производства обычной бумаги. Таков классический вариант электронной бумаги, но добавление в эту систему органической тонкопленочной системы управления сильно увеличило ее возможности, сделав ее цветной.
И проводники, и полупроводники, и даже сверхпроводники
В ходе упорных поисков был найдено несколько новых органических электропроводных материалов и структур, что иногда очень удобно — прозрачных. Их можно разделить на четыре группы. Первая — проводящие олигомеры и полимеры: политиофен, полианилин и другие. Это длинные сопряженные молекулы, в которых электрон переносится по цепи п-связей. В так называемом высокопроводящем состоянии многие системы на основе органических молекул такого типа могут пропускать ток с плотностью свыше 106 А/см2, что соответствует металлической проводимости. Ко второй группе относятся донорно-акцепторные органические проводники различной природы с проводимостью порядка 102—103 1/Омм — конечно, не «металл», но для многих применений достаточно. Однако при низких температурах некоторые из них являются сверхпроводниками. Третья группа — углеродные материалы: фуллерены, нанотрубки, графен и полимерные нанокомпозиты на их основе. Напомним, что длина одностенных нанотрубок достигает микрометров при диаметре около 1 нм и на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства, проводимость приближается к проводимости металлов.


2
Телевизор (а), осветительное устройство (б), солнечная батарея (в), произведенные с использованием органических материалов
Наконец, четвертая группа — ионные проводники, то есть проводники, в которых ток переносят не электроны, а ионы.
Органические материалы ныне используются в диодах, транзисторах, гибких интегральных микросхемах, разрабатываются радиочастотные метки, активно ведутся работы по созданию тонкопленочных полимерных быстро заряжаемых батарей с высокой емкостью, фото- и электрохромных окон. Из органического материала удалось изготовить магниты и даже создать первый электрический лазер на основе органического материала. Благодаря высокой чувствительности молекулярных электронных устройств к свету их можно использовать для моделирования процесса фотосинтеза и разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза.
Молекулярные устройства можно применять также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживлять в организм человека, чтобы контролировать его состояние. Уже существуют молекулярные сенсоры для поиска мельчайших следов взрывчатки. Органические молекулы служат основой для создания электромеханических устройств, в частности искусственных мышц. На основе молекулярных структур созданы молекулярные двигатели. Суперминиатюрная конструкция одного из них состоит из трех частей: иона металла и двух молекул порфирина. При определенной температуре ион притягивает с двух сторон молекулы, и под воздействием света и электрического напряжения они начинают вращаться. Предложены также другие конструкции молекулярных двигателей, в которых одна часть молекулы вращается относительно другой в электрическом поле. Таким образом, одиночные молекулы могут быть такими же устройствами, как и устройства на основе твердых тел, состоящих из этих молекул. Данное свойство вытекает из сравнения системы энергетических уровней одиночной молекулы и твердого тела. Несколько примеров молекул, используемых в качестве молекулярных устройств, представлено на рисунке 1.
Регулярно появляются сообщения о разработке новых и новых уникальных устройств. Однако человек всегда мечтает о новом компьютере — если не выше, то хоть быстрее и сильнее.
Почти живой компьютер
Многочисленные исследования с органическими молекулами направлены также на создание новых типов вычислительных и информационных устройств — молекулярных компьютеров, в которых рабочими элементами являются отдельные молекулы. Такие молекулярные компьютеры в принципе могут быть в миллиарды раз более производительными, чем существующие вычислительные устройства, основанные на кремниевых транзисторах, и их будет легче соединить с биологическими объектами.
Компьютер состоит из компонентов трех главных типов — это переключатели (ключи, транзисторы), элементы памяти и проводники. Бистабильные молекулы, то есть молекулы, имеющие два (или более) термодинамически устойчивых состояния, могут стать элементной базой нового поколения компьютеров. Такие молекулы могут управляться светом, электрическим полем и химическими реакциями; у некоторых из них при переключении электронная конфигурация перестраивается кардинально, а геометрия остается почти прежней. Для управления можно использовать также процессы цис-транс-изомеризации, перициклических превращений, переноса электрона и протона. Эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие возбужденные электронные состояния. Пример — переключатель на основе ротаксана: молекулу ротаксана, имеющую форму кольца, удалось насадить на ось, линейную молекулу. Получен красивый и принципиально важный физический эффект: при наложении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется и она начинает пропускать ток. При снятии поля молекула раскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние. Другой пример — переключатель на основе молекулы катенана, которая состоит из двух циклов, продетых один сквозь другой подобно звеньям цепи. Цикл окисления- восстановления катенана можно совершать 10—20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.
Память молекулярного компьютера может быть основана на тех же принципах, что и переключатели, то есть на бистабильных молекулах. Создание молекулярных устройств памяти является в настоящее время наиболее развитой областью. Причем в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, но и в объеме, память станет трехмерной. Приводить конкретные данные в журнальной статье бесполезно, поскольку сообщения о новых достижениях появляются слишком часто и значения потенциальной емкости уже превзошли данные для полупроводниковых устройств. Еще одно новое направление (так называемая спинтроника) основано на использовании спина электронов у магнитных органических молекул. За счет спин-орбитального взаимодействия магнитный момент может прецессировать, сохраняя определенное направление. Направление намагниченности молекулы можно изменять, то есть записывать информацию, с помощью электрического поля. Информация, закодированная в спинах электронов, сохраняется и после выключения устройства; для ее обработки не требуются магнитные поля, а для ее записи достаточно мизерных затрат энергии.
Так что проблема уже состоит не в принципиальной реализуемости, а в создании устройства — «коробочки с разъемом». Для этого надо научиться соединять новое с классическим или… или сделать нечто целиком новое. Целиком органическое.
Как соединить
Соединять надо проводниками. Например, молекулярные проводники должны обеспечивать сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными же устройствами памяти. Разрабатываются три типа молекулярных проводников: электропроводные молекулярные и полимерные проволоки, донорно-акцепторные комплексы, ионные молекулы. Можно для начала попробовать использовать обычные проводники, но стандартные технологии для работы с молекулами не годятся. В настоящее время разработано несколько реальных способов присоединения одиночных молекул к системе неорганических проводников. Если же мы захотим создать чисто органическую систему, нужно использовать принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул.
Этот же принцип лежит в основе происхождения жизни, и именно его использует природа. Молекулы и атомы являются стандартными образованиями, молекулы одного сорта одинаковы, поэтому в принципе можно получить очень хорошую воспроизводимость параметров элементов.
Самый сильный конкурент органической электроники по направлению роста вычислительных мощностей — квантовый компьютер. Сравнивать эти два направления более чем сложно, но одно различие налицо: до создания квантовых компьютеров, в которых управлению подлежат отдельные атомы, еще далеко, а управление на молекулярном уровне уже осуществлено.
Впереди — создание нейронных сетей, состоящих из нейронов и связывающих их синапсов. Создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных в единую сеть, откроет путь к реализации всех потенциальных возможностей, заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволит создать принципиально новый тип информационно-вычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемы создания искусственного интеллекта. Ориентация на возможности молекулярного мира не случайна, ведь именно природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Мозг человека и животных — прямое доказательство перспективности органических молекул как материала, предоставленного самой природой!
Из этого далеко не полного обзора видно, что наступает новая технологическая революция в электронике: элементарные устройства выходят на уровень молекул. Благодаря технологии, которая позволяет печатать электронику на обычных носителях (например, на бумаге, пластмассе и ткани), используя практически любые стандартные процессы печати, она может стать сверхдешевой. Электроника на основе органических молекул уже находит широкое применение в технике и быту. Согласно прогнозам аналитиков, рынок органической электроники увеличится с нескольких миллиардов долларов в настоящее время до 48 миллиардов долларов в 2017-м и порядка 300 миллиардов долларов в 2027 году.
Развитие нового подхода в электронике, основанного на органических материалах, требует решения ряда проблем в трех основных направлениях: разработка физических принципов функционирования электронных устройств (например, транспорта зарядов); синтез новых молекул, способных хранить, передавать и преобразовывать информацию; разработка простых методов организации молекул в супрамолекулярный ансамбль или молекулярное электронное устройство, а также присоединение их к макросистеме. Таким образом, в химии открылось новое направление как фундаментальных, так и прикладных исследований, с перспективой развития новых производств.
Кандидат физико-математических наук А. В. Кухто