О молекулярных компьютерах говорят давно. Как далеко продвинулись
учёные? Не исчез ли интерес к таким исследованиям? Нет, не исчез,
напротив, ими активно занимаются в Америке, в Германии, у нас в стране,
и, несмотря на то что перспектива создания серийного компьютера на
молекулах всё ещё кажется достаточно отдалённой, некоторые успехи есть.
Более того, учёные, работающие в этой области, утверждают, что
молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20–25 лет. А
ещё через 10–20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных
квантовых компьютеров и ДНК-компьютеров. Бистабильные молекулярные системы
Что такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо
кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают
молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры
лежат так называемые „интеллектуальные молекулы". Такие молекулы (или
молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически
устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и
химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое
(переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов,
электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые
бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система,
воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического
транзистора. Особенно интересны такие превращения бистабильных
молекул, после которых сильно меняется электронная конфигурация.
Например, после изомеризации в молекуле образуется единая сопряжённая
электронная система, следовательно, появляется способность проводить
электрический ток. Могут меняться и другие свойства: спектры поглощения
сдвигаться в видимую область, возникать нелинейные оптические свойства
и, что особенно ценно, флуоресценция. Кремниевый транзистор
Интерес к созданию молекулярных компьютеров не случаен.
Производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов на
единице площади интегральной схемы. На процессорном чипе современного
компьютера расположено до ста миллионов транзисторов, и намного больше
разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства
технологии их производства достигли своего пика. Транзистор — это два
электрода на кремниевой подложке, ток между которыми регулируется
потенциалом, подаваемым на третий управляющий электрод — затвор.
Критический элемент кремниевого транзистора, из-за которого нельзя
сделать его намного меньше, — толщина изолирующего слоя оксида кремния
между затвором и проводящим слоем. Современные технологии уже позволяют
сделать его толщиной 0,13 микрон (130 нм), что соответствует примерно
1/1000 толщины человеческого волоса. В перспективе, лет через десять,
может быть, удастся достичь толщины 0,09 микрон. Несмотря на то что
технологии производства изолирующего слоя оксида кремния
совершенствуются и он становится тоньше, у него существует физический
предел — не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях
начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов и
перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы
в целом. Более того, существует предел стабильной концентрации допантов
в проводящем слое, и само формирование интегральной схемы с меньшими
размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники
фотолитографии. В силу квантовых законов травление нельзя осуществить на
меньшем масштабе, чем длина полуволны света, а уже сейчас используют
жёсткое УФ-излучение. Ещё в 1959 году Ричард Фейнман указал на то,
что молекулы, обладающие определёнными свойствами, смогут работать как
переключатели и заменить собой транзисторы („Химия и жизнь", 2002, №
12), а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными
атомами и молекулами. Это предсказание начинает сбываться. Размеры
будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых
миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили,
производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов,
размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет
огромным. Так, если уменьшить размер транзистора до молекулярных
размеров (примерно до одного нанометра), то на единице площади
интегральной схемы поместится в миллион раз больше транзисторов . Если
ещё вдобавок к этому время отклика уменьшится до фемтосекунд (на шесть
порядков) — а именно таково характеристическое время протекания
элементарной стадии химической реакции, — то эффективность молекулярного
компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем современного
кремниевого. Архитектура каждого компьютера включает три основных
элемента: переключатели, память, соединяющие провода. Все элементы в
молекулярных компьютерах будут отличаться от их же аналогов в нынешних
вычислительных устройствах. Бистабильные молекулы — переключатели будут
управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими
реакциями. Память может работать на принципе „запоминания" оптических
или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или
сопряжённые полимеры. Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех
основных составляющих компьютера будущего. Рассмотрим их по отдельности.
Молекулярный переключатель. Переключение происходит при
воздействии электрического поля (+2 В; –2 В), а считывание — измерением
сопротивления (0,1 В) Наиболее эффективные молекулярные
переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются
при переходе в высшие возбуждённые электронные состояния. Это может
быть процесс цис-транс-изомеризации, перициклических превращений,
фотопереноса протона. После переключения кардинально перестраивается
электронная конфигурация системы, а её геометрия остаётся практически
прежней. Перспективны также топологические изомеры супрамолекул —
например, переключатель, описанный Д.Ф. Стоддардом и Д. Хисом, которые
сотрудничают с фирмой „Хьюлетт Паккард". Монослой молекул катенана
помещают между металлическим и кремниевым электродами. После
электрохимического окисления супрамолекулы на одной из её частей
появляется дополнительный положительный заряд. Поскольку в исходной
форме эта часть соседствует с одноимённым зарядом, то после окисления
плюсы отталкиваются и молекула перегруппировывается. Образуется вторая
стабильная форма, и меняется электрическое сопротивление. Главное
достоинство такого переключателя — его исключительно высокая
устойчивость. Цикл окисления-восстановления катенана можно совершать
10–20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.
Переходим к памяти. В настоящее время применяют магнитные и оптические
носители памяти, которые основаны на принципе двумерной записи, и это
ограничивает объёмы записываемой информации. Стандартный диск CD-ROM
диаметром 12 см может содержать примерно 0,5 гигабайт (~ 4·109 бит)
данных. Теоретическая плотность оптической записи информации обратно
пропорциональна квадрату длины волны используемого для записи света,
поэтому предел возможностей однослойного компакт-диска равен 3,5·108
бит/см2 (для света с длиной волны 532 нм). Механизм трёхмерной (3D) молекулярной памяти
Память молекулярного компьютера будет основана на тех же принципах, что
и переключатели, в её основе — бистабильные молекулярные структуры и их
же превращения. Конечно, для различных типов памяти потребуются
различные характеристики этих превращений, а чтобы обеспечить долгое
хранение записанной информации, будут нужны системы с большим временем
жизни изомера Y . Учёные предполагают, что в молекулярных компьютерах
можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности
активной среды, как это делается в настоящее время, а в полном объёме —
то есть память станет трёхмерной. Если использовать для записи весь
объём образца, то плотность записи на трёхмерном носителе с тем же
источником света будет уже 6,5·1012 бит/см3, на четыре порядка больше.
Если же применять более жёсткое излучение, то объём записываемой
информации увеличивается ещё на порядок. Чтобы записать информацию в
объёме образца или, по крайней мере, на нескольких его слоях, нужна
новая система записи. Для этого используют метод двухфотонного
поглощения. Суть метода в том, что необходимая для записи энергия (hv)
доставляется двумя фокусируемыми в нужной точке лазерными пучками с
частотами v1 и v2, подобранными так, чтобы hv = hv1 + hv2 (рис. 4).
Впервые принципиальную возможность такой схемы показал П. Рентцепис
(Калифорнийский университет) в конце 80-х годов XX века. Он использовал
для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Поглотив два
фотона, молекула А перегруппируется в окрашенную мероцианиновую форму
В. Считывание записанной таким образом информации происходит при
регистрации флуоресценции молекулы В, также возбуждаемой двухквантовым
переходом. Флуоресценция — не единственный, но в силу особенно высокой
чувствительности наиболее привлекательный метод считывания записанной
информации. 3- и 2-индолилфульгиды для трёхмерной оптической памяти
К числу лучших фотохромных систем принадлежат фульгиды индольного ряда.
Впервые их получили в нашем институте, но в настоящее время активно
изучают и в других исследовательских центрах. Недавно американская
компания „ConstellationSD"
(http://www.3dnews.ru/reviews/storage/fmd-rom), начинавшая свою
деятельность в России, объявила о создании первого трёхмерного
(многослойного) флуоресцентного диска FMD-ROM, материалом для которого
служат 2-индолилфульгиды и 3-индолилфульгиды. По утверждению фирмы,
первые готовые к выпуску образцы вмещают на десяти слоях
12-сантиметрового диска до 140 гигабайт (5–7 Гб на диске размером с
кредитную карту), причём компания располагает технологией, позволяющей в
десять раз увеличить число слоёв и, соответственно, плотность
записываемой информации. Диарилэтены для трёхмерной оптической памяти
Очень интенсивные исследования по созданию органической трёхмерной
памяти ведутся в Японии под руководством М. Ирие. В качестве объекта
выбраны другие молекулы — диарилэтены, но принцип их работы тот же, что и
у фульгидной системы. М. Ирие — куратор совместного проекта
Международного научно-технологического центра (МНТЦ), в котором также
участвуют Институт Органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН,
Фотохимический центр РАН и НИИ физической и органической химии
Ростовского государственного университета. Другой перспективный
подход к созданию молекулярной памяти продемонстрировали недавно М. Рид
(Йельский университет) и Д. Тур (компания „Хьюлетт Паккард"). Они
сделали сандвич примерно из 1000 молекул ароматического дитиола и
поместили его между золотыми электродами (рис. 7). При определённом
напряжении, поданном на электроды, этот сандвич удерживает электроны (то
есть хранит данное состояние в памяти) в течение примерно 10 минут
(стандартная кремниевая динамическая память DRAM удерживает всего на
миллисекунды). Ещё один вариант молекулярной памяти — „электронная присоска". Сандвич из 1000 молекул поместили между золотыми электродами
При напряжении 5В ученым удалось поддерживать ток в 0,2 микроампера,
что соответствует потоку 1012 электронов в секунду. Это намного больше
того, что они ожидали после теоретических расчётов. Интересно, что
электроны проходят через молекулу без рассеяния тепла. Авторы
исследования думают, что их „электронная присоска", как они её назвали,
может служить прототипом нового поколения динамической памяти.
Наконец, третий компонент молекулярных компьютеров — проводники,
обеспечивающие сообщение между молекулярными транзисторами и
молекулярными устройствами памяти. Дизайн проводников, также имеющих
наноскопические размеры, учёные ведут по трём основным направлениям.
Первое — это проводящие полимеры: допированный полиацетилен (Нобелевская
премия 2000 года), политиофен, полианилин и др. Второе — различные
органические проводники, которые обладают достаточно высокой
проводимостью, до 102-103 с/м. Все они представляют собой длинные
сопряжённые молекулы, в которых электрон переносится по цепи π-связей Молекулярные провода
Если к концам такой сопряжённой цепи присоединить металлсодержащие
группы, то окисление или восстановление одной из них обеспечит
достаточную проводимость по всей цепи. Комбинируя допированные
(проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов или
полупроводников) участки полимеров, можно получать электрические контуры
с нужными свойствами. Особые надежды возлагаются на третий тип
проводников — нанотрубки. Это великолепный материал для молекулярной
электроники. Нанотрубки с однослойными или многослойными стенками
получаются при прохождении электрического разряда между двумя
графитовыми электродами. Длина одностенных нанотрубок может достигать
микрометров (диаметр около 1 нм), причём на отрезках по 150 нм
сохраняются металлические свойства. Углеродные или боразотные нанотрубки
можно заполнять металлами и получать таким образом одномерные
проводники, состоящие из цепочек атомов металлов. С одностенными
нанотрубками удается сделать ещё более интересные вещи. Транзистор
на одной молекуле. Бакибол (60 ат. углерода) удерживается между
электродами электрическими силами. Как только электрон запрыгивает
внутрь бакибола, происходит смещение электрических сил и молекула
смещается к одному из электродов и сопротивление меняется. Электрон
выпрыгивает — бакибол смещается в исходное положение При помощи
атомно-силового микроскопа, скручивая однослойную нанотрубку, удалось
получить участки, на которых сопротивление достигает 50 килоОм, в
результате чего образуется барьер для движения электрона. При
определённом напряжении можно переключать состояния одностенной
нанотрубки: „проводимое"—„непроводимое", перемещая один-единственный
электрон. Фактически это прототип транзистора на одном электроне.
Существует также прототип транзистора на одной молекуле, который изучают
в Корнельском и Гарвардском университетах Молекулярные
транзисторы, память и проводники — три составные части будущего
молекулярного компьютера, и в их создании по отдельности, как мы видим,
есть значительные успехи. Но самая сложная задача — собрать все
компоненты в работающее устройство. До её решения ещё далеко. Однако
путь, по которому надо идти, вполне ясен: это 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 для создания таких
сложных структур, как двойная спираль ДНК, жидкие мембраны и глобулярные
протеины. Пока эта задача не решена, учёные предполагают делать
гибридные устройства, сочетающие достоинства молекулярного подхода с
наиболее успешными технологическими вариантами, найденными для
кремниевых технологий. Гибридные устройства можно сделать, например,
используя повышенное сродство атомов серы в органических молекулах к
тяжёлым металлам, особенно золоту. Так создаются контакты между
металлическими электродами и молекулярными проводниками. Мысль
учёных идет дальше. До сих пор мы рассматривали примеры, когда все
функции компонентов компьютера обеспечиваются передвижением электронов в
сложных молекулярных ансамблях. Между тем эти функции могут взять на
себя и фотоны. Уже предложены различные варианты фотонных устройств,
например молекулярный фотонный транзистор . В фотонном транзисторе
фрагмент молекулы, поглощающий квант света (дипиррилбородифторид),
играет роль стокового электрода, следующая молекула (цинковый порфирин) —
проводника, а последний излучающий порфириновый фрагмент молекулы
соответствует электроду истока. Магниевый порфирин работает как
управляющий электрод — затвор. Если окислить этот затвор, то после
поглощения света перенос энергии происходит не на цинковый порфирин, а
на неизлучающий магниевый. В компьютерах на подобных транзисторах,
регулирование всей его работы будет происходить с помощью света. Гибридное устройство: молекулярный проводник и золотые электроды Молекулярный фотонный транзистор
Вот в общих чертах то, что ждёт нас в ближайшем будущем. Учёные
считают, что молекулярные компьютеры будут созданы к 2020–2030 году. Это
не значит, что существующее поколение кремниевых компьютеров полностью и
сразу отомрёт, просто рядом с ним появится более мощная генерация. А
что потом? Спинтроника и компьютеры на квантовых точках, ДНК-компьютеры.
