Kodėl jau sukurtos nanomachinos, o nanomedžiagos dar nėra?

Kodėl jau sukurtos nanomachinos, o nanomedžiagos dar nėra?

Michailas Budyka,
Dr. cheminė medžiaga mokslai, profesorius, vadovas. Laboratorija organinių ir супермолекулярных fotochemijos instituto chemijos fizikos problemų Rusijos mokslų akademijos
"Trejybės pasirinkimas" № 22 (216), 2016 lapkričio 1 d

Michailas Budyka

Paskutiniame "TrV-Science" numeryje buvo nagrinėjamas šių trijų Nobelio premijos laureatų indėlis į chemiją nanomachinų kūrimui [1]. Gana lengva paaiškinti kiekvieno laimėtojo pasiekimus, nes vargu ar asmuo, kuris nežino, kad automobilio – važiuoja, variklis – verpimo, kanoja – metmenų ir atgal (todėl erdvėlaivis skraidina pirmyn ir atgal, vadinamas Space Shuttle). Ką daro kompiuteris taip pat žinomas visiems: dažniausiai tai apdoroja informaciją. Bet kaip jis tai daro? Ir kodėl jau egzistuoja molekuliniai nanomachinai, tačiau iki šiol nebuvo sukurtas molekulinis nanomedžiagas, apie kurį, kaip ir apie nanomachines, daugiau nei prieš 50 metų "svarstė įdomus", Richard Feynmanas? Norėdami suprasti šios priežasties, prisimename įprasto kompiuterio principus.

Praktiškai visuose šiuolaikiniuose kompiuteriuose naudojama dvejetainių skaičių sistema informacijos apdorojimui, veikianti tik su dviem skaitmenimis – 0 ir 1.Informacijos apdorojimas vyksta puslaidininkių loginių vartų (LV) pagalba. Į LV įvestą signalą tiekiamas signalas, kurio reikšmės gali būti tik 0 arba 1. LV signalo išėjimo signalas taip pat gali būti tik 0 arba 1 vertės ir priklausomai nuo vožtuvo tipo.

Įvesties ir išvesties signalų santykis nustatomas pagal valstybės lentelę (tiesybių lentelė), lentelę. 1. Pagrindinis LV yra keitiklio "NE" (NE), loginio dauginimo (junginio) "AND" (AND) ir loginio papildymo (disjunkcijos) ar (OR) vartu vartai, kurių pagalba galite kurti bet kokią loginę funkciją. Akivaizdu, kad keitiklis invertuos signalą: jei įvestis yra "0", tada išėjimas yra "1", ir atvirkščiai. Daugyba logine algebra yra panaši į įprastą – "1" išėjime, tik tuo atveju, kai abu įėjimai yra "1". Bet loginis papildymas skiriasi nuo aritmetinio – "1" išėjimo atveju, jei bent vienas įvestis yra "1", t. Y. Loginė dviejų vienetų suma taip pat suteikia vieną (logika atitinka taisyklę: teiginys yra teisingas, jei bent vienas jo sudedamųjų dalių). Mes taip pat galime naudoti "EXCLUSIVE OR" (XOR) vartus, kurių išėjimai yra "1", jei įėjimai turi skirtingus signalus ("0" ir "1"), tačiau jei abu įėjimai turi tuos pačius signalus (tiek "0", tiek " 1 "), tada išvestis yra" 0 ".

1 lentelė. Logikos vartų "ribos" border = 0>1 lentelė. Loginio vartelio valstybės

Esant medžiagos lygiui, puslaidininkio LV yra tranzistorius arba keli tranzistoriai, prijungti prie grandinės. Kas tiksliai yra signalas 0 arba 1, nustatomas potencialo kontaktų potencialo įtampa (potencialas) ir potencialo ribinė vertė (PZ), kuri yra nustatyta kiekvienai konkrečiai grandinei. Teigiama logika, jei potencialas yra mažesnis nei PZ, prielaida, kad skaitmeninis signalas yra 0, jei jis didesnis nei PZ, tada 1. Vlį konvertavimas į bezdymių skaičių, todėl mes atliekame analogiško signalo, turinčio begalinį skaičių verčių, konvertavimą į skaitmeninį signalą, turinčią tik dvi reikšmes : 0 arba 1.

Transistoriai yra skirtingų tipų, tačiau jų darbo principas yra tas pats: potencialas išvesties kontaktuose priklauso nuo dviejų įėjimo kontaktų potencialų (kurie atlieka skirtingas funkcijas ir yra skirtingi, bet dabar tai nėra svarbu). Srovė metaluose ir puslaidininkiuose yra elektronų kryptinis judėjimas (ir netgi tada, kai paprastai vadinama "skylučių" laidumu, elektronai iš tiesų perkelia). Elektronų srautas, tekantis iš vieno tranzistoriaus kontakto į kitą, sukuria reikiamą potencialąpriklausomai nuo vertės, kuri interpretuojama kaip skaitmeninis signalas "0" arba "1". Šią išvadą turėsime dar labiau palyginti su puslaidininkiu ir molekuliniu kompiuteriu.

Kompiuteris atlieka matematinius skaičiavimus. Kaip tai daroma naudojant loginius vartus? Pavyzdžiui, apsvarstykite paprastą papildymo operaciją, pav. 1.

Pav. 1. Dviejų skaitmenų pridėjimas dvejetainėje formoje ') "> Pav. 1. Dviejų skaitmenų įvedimas dvejetainėje sistemoje "border = 0> Pav. 1. Dviejų skaitmenų įvedimas dvejetainėje sistemoje

Pridedant du skaitmenys, mes taip pat gauname du skaitmenys: suminis skaitmuo – mažiausias skaitmuo ir perkėlimo skaitmuo – svarbiausias skaitmuo. (Įprastu dešimtainiai žymėjimo, tai situacija susidaro, kai mes pridėti, pavyzdžiui, 7 ir 8 ir gauti 15, kur vienetas priklauso esamo vyresnysis kategorija – TEN). Dabar mes palyginame terminus (1 pav.) Su LP įvesties signalais (1 lentelė), o papildymo rezultatas – su LP išvesties signalu. Iškart akivaizdu, kad transporto skaičius MSB atitinka išvesties LP ir, tada sudedant skaičius srovė – išėjimo signalo LP "XOR. Paralelinis (tuo pačiu metu) šių dviejų vaistų veikimas suteikia pusiau papildomą (dvinarį papildinį).Kodėl "pusiau"? Kadangi pusiau papildomas įvestis turi tik du įvesties elementus ir prideda tik du skaitmenys, o pridedant daugialapių skaičių yra ir perdavimo skaičiaus iš ankstesnio papildymo. Atsižvelgiant į šį skaičių, dirba "pilnas" papildiklis (arba tiesiog sumos toris), kuris yra trečiasis įvesties signalas, be dviejų įvesties signalų dviem terminais.

1993 m. Amilra de Silva, belfasto karalienės universiteto darbuotojas, pirmą kartą eksperimentu įrodė, kad molekulė gali atlikti ir loginę daugybos funkciją [2]. Kaip jie tai padarė?

Amilra de Silva, Karalienės universitetas, Belfastas. Nuotrauka: "Twitter" karalienės universitetas

Manau, kad net labiausiai nutolę chemijos skaitytojai iš mokyklos chemijos kurso prisimena, kad jei pridėsite indikatorių į bespalvį rūgščių ar šarmų tirpalą, jis taps dėmėmis, o jei indikatorius yra liuminescencinis, tirpalas taip pat pradeda šviesti. nauji kelio ženklai žibintuose). Indikatorius, kuris reaguoja į metalo jono buvimą tirpale, vadinamas jutikliu. De Silva išrado jutiklį, kuris reaguoja į vandenilio jonų (protonų) ir natrio koncentraciją tirpale, o jutiklis pradėjo švyti tik tuo atveju, jei į tirpalą buvo pridėta abu jonų tipai.Dabar, po de Silva, mes pažvelgsime į pokyčius, kurie atsiranda sprendimų sujungimo metu per loginės algebra prizmę.

Jei nieko nepridėsime prie sprendimo, įvesties signalas yra "0"; jei pridedami protonai, tai reiškia, kad mes įvedėme signalą "1" į pirmąjį įvestį; jei pridėta natrio jonų, prie antrojo įvesties pridedamas signalas "1". Jei tirpalas neužsidega, išvesties signalas yra "0", o jei jis yra, tada "1". Kaip matyti iš lentelės. 2, tokiu puikių veiksmų ir pastebimų reiškinių interpretavimu mes atlikome loginį daugybos operaciją IR su jutikliu molekulės pagalba – gavome "1" tik išvesties metu, kai buvo tiek vienas, tiek iš vieno įvesties.

2 lentelė. Molekulinės logikos vartai veikia "border = 0>

2 lentelė. Molekulinių loginių vartų veikimas

Nuo to laiko buvo ištirti dešimtys junginių, buvo įrodyta, kad molekulinės logikos vartai (MLE) gali atlikti visas paprastas logines operacijas, taip pat matematines papildymo ir atimties operacijas, kodavimo ir dekoderio funkcijas ir tt [3]. MLB įvesties signalas gali būti bet koks išorinis cheminis ar fizinis poveikis – reagentų papildymas, šildymas, šviesos apšvitinimas ir ttPagrindinis dalykas yra tai, kad veikiant šiuo signalu molekulė keičia struktūrą, keičia iš vienos būsenos į kitą ir tuo pačiu metu tam tikri savybių pokyčiai. Šių pokyčių pobūdis lemia išvesties signalo tipą. Jei pateikiate MLA kaip juodą dėžutę, tada apskritai jo funkcionavimo principas parodytas fig. 2

Pav. 2 MLE veikimo blokinė schema ")"> Pav. 2 MLE funkcionavimo blokinė schema "border = 0>" Pav. 2 MLB veikimo blokinė schema

Pvz., Jei išorinė įtaka atskleidžia joną ar molekulę, jie naudojami kaip išvesties signalas. Jei spalva pasikeičia, išvesties signalas nuskaito absorbcija, jei šviesos spinduliuotė atsiranda (arba dingsta) liuminescencija. Daugumai tirtų DLK įvesties signalai yra cheminio pobūdžio, o išvesties signalai nuskaitomi šviesos absorbcija.

Nustatytos unikalios molekulinių loginių vartų funkcijos: suderinamumas arba superpozicija – tuo pačiu metu atliekamos kelios loginės operacijos (įregistruotos skirtinguose išėjimo signaluose) ir perkonfigūruojama – kai tas pats vožtuvas gali būti pritaikytas skirtingoms loginėms operacijoms, keičiant įvestį ir / arba išvesties signalai.Šių savybių pagrindas yra molekulės gebėjimas, skirtingai nuo puslaidininkio tranzistoriaus, vienu metu pagaminti kelis išvesties signalus.

Norėdami paaiškinti fizinį šio gebėjimo pobūdį, pirmiausia turite pasikalbėti apie absorbcijos spektrą (liuminescenciją). Kiekvienas, kuris tai žino ar gali sunku ar neįdomu, gali praleisti keletą kitų pastraipų ir eiti tiesiai į atsakymą į pavadinimo klausimą.

Absorbcijos spektras (arba liuminescencija) charakterizuoja medžiagos gebėjimą absorbuoti (arba išmesti) šviesą skirtingais bangos ilgiais. Tai, kad šviesa turi daug bangų pobūdį, nors ir nesąmoningai, yra žinoma visiems, kurie matė vaivorykštę. Kai saulės spinduliai, lūžę daugybe lietingų lašelių, kaip ir mikropresiruose, suteikia visas vaivorykštės spalvas – tai yra faktas, kad balta šviesa yra "sudėtinga" šviesa, susidedanti iš "paprastų monochrominių žiburių". Ir mes matome visą spalvų įvairovę gamtoje dėl daugialypės šviesos pobūdžio, nes medžiagos skirtingai sugeria įvairių spalvų šviesą, ty skirtingus bangos ilgius.

Kiekybiškai absorbcijos priklausomybė nuo bangos ilgio yra išreiškiama absorbcijos spektru (ir panaši priklausomybė nuo spinduliuotės -liuminescencijos spektras). Molekulės niekada nepakenčia (ir neišskiria) vienodai šviesos skirtingų bangos ilgių. Pavyzdžiui, molekulė, kurios spektras parodytas Fig. 3 gerai absorbuojasi bangos ilgyje A, bet neabsorbuojasi bangos ilgyje B. Jei mes dabar nustatome ribinę absorbcijos vertę, parodytą raudonoje linijoje, pav. 3, ir, kaip tai buvo padaryta aukščiau, tranzistorių atveju, jei mes konvertuojame analoginį signalą – absorbciją – į skaitmeninį, tada bangos ilgyje A mes gausime signalą "1", o tuo pačiu ir bangos ilgyje B! – signalas "0". Ši molekulė skiriasi nuo puslaidininkio tranzistoriaus, kuris arba praeina srovę, arba neperduoda, todėl iš tranzistoriaus esantis LV gali turėti išėjime "1" arba "0", bet ne abu tuo pačiu metu.

Pav. 3 Absorbcijos spektro pavyzdys ir analoginio signalo perkėlimas į skaitmeninį "border = 0>

Pav. 3 Absorbcijos spektro pavyzdys ir analoginio signalo perkėlimas į skaitmeninį

Atsižvelgiant į šias MRL savybes mūsų laboratorijoje ekologinės ir supramolekulinės fotochemijos Chemijos fizikos problemų instituto Rusijos mokslų akademijoje, buvo sukurtas ir sintezuotas junginys – bipokrominis dyadas, galintis atlikti visas 16 galimų dvikryptinių loginių vartelių funkcijas, žr. Fig.4 (pavyzdyje pavaizduotas šio pavidalo absorbcijos spektras).

Pav. 4 Bifotokrominis diodas, kuris imituoja visų 16 galimų dvigubo adreso loginių vartu veiksmą; pateikiami simboliniai kai kurių jų vaizdai [4] "border = 0>

Pav. 4 Bifotokrominis diodas, kuris imituoja visų 16 galimų dvigubo adreso loginių vartu veiksmą; pateikiami simbolių vaizdai iš kai kurių jų [4]

Suderinamumo ir pertvarkymo savybės iš esmės nepasiekiamos šiuo metu naudojamuose puslaidininkių elementuose, kur kiekvienai loginei operacijai reikalingas atskiras tranzistorių rinkinys. Pagrindinis šių savybių pagrindas yra DLK įvesties ir išvesties signalų įvairovė, skirtingai nuo vieningo signalo puslaidininkių vartuose. Bet būtent tai yra molekulinių vartelių pranašumas, kuris tampa nepalanki, kai bando prijungti vartai grandinėje, be kurių neįmanoma sukurti kompiuterio.

Vieno vožtuvo išėjimo signalą reikia įleisti į kitą vožtuvo įvestį kelių kelių tiesų grandinėje. Dėl to vaisto įvesties ir išvesties signalai turi būti vienarūšiai (vienarūšiai).Signalų homogeniškumas puslaidininkių įtaisuose pasiekiamas automatiškai, nes kiekvieno grandinės elemento įėjimo ir išėjimo signalai yra elektronų srautas.

Galiausiai galime atsakyti į klausimą: kodėl dar nėra sukurtas molekulinis nanomedžiagas? Kadangi daugumoje tirtų DLK įvesties ir išvesties signalai yra ne homogeniški (heterogeniški), tai yra pagrindinė problema, kylanti dėl kelių MLE sujungimo būdų, be kurių neįmanoma sukurti molekulinio kompiuterio.

Iš dalies, signalų nehomogeniškumo problema išspręsta dėl minėtos unikalios DLK savybės – vienos molekulės sugebėjimas vienu metu atlikti keletą loginių operacijų. Todėl DLK gali būti iš esmės skirtinga grandinių konstrukcija. Mažų skaičiavimo vienetų lygiu vietoj to, kad sujungti keletą plokščių viena su kita (nuosekliosios integracijos), galima sintezuoti ryšį su reikiamu savybių deriniu, kuris duos tam tikrą operaciją (lygiagreti integracija). Tai veikia kaip molekuliniai papildikliai, ištraukikliai, multiplekseriai ir tt.

Yra du būdai, kaip išspręsti signalo nehomogeniškumo problemą. Pirmoji parinktis naudojama gamtoje – tai signalų keitikliai, kurie "pakeičia" vieno vožtuvo išėjimo signalą, kad jis būtų suprantamas kitam. Ši parinktis įgyvendinama mūsų natūralios kompiuterinės sistemos – smegenų.

Kitas variantas – sukurti vienalaikiškus įvesties ir išvesties signalus. Pavyzdžiui, kai kuriems bio-DLK, kurie naudoja nukleino rūgščių azoto bazių ("DNR-kompiuteris") papildomumo principą, oligonukleotidai gali būti įvesties ir išvesties signalai, kurie teoriškai leidžia signalą iš vieno MLE išvesties siųsti į kitą įvestį [5].

Kitas LLW tipas, atitinkantis signalų homogeniškumo reikalavimą, yra visiškai fotonų LLR, naudojantys šviesos kvantus įvesties ir išvesties metu [6]. Tiesiog toks fotoninis MLV yra aukščiau paminėtas bipokrominis diodas, kuris iš vienos būsenos į kitą persijungia dėl dviejų fotoaktyvių fragmentų, pažymėtų spalvotaisiais ovaliais Fig. 4

Tačiau fotonų DLK veikimas kelia specifines problemas, susijusias su pačios šviesos absorbcijos pobūdžiu ir sujungtų molekulių būklių savybėmis (tikimybinis procesų pobūdisindukciniu-rezonansiniu energijos perdavimu, kuris veda prie fotokrominio aktyvumo slopinimo, energijos išsklaidymo, kuris veda į sistemos šildymą ir tt). Šios problemos yra esminis pagrindas, o kai kurios iš jų iš esmės yra neišvengiamos, o kitų nepageidaujamų padarinių galima sumažinti.

Daugiašalio mokslo mokslas kilo iš kelių mokslo sričių – chemijos, fizikos, elektronikos, loginės algebros – jungties ir dabar yra pagrindinių tyrimų etape. Tačiau nėra abejonių, kad bus sukurtas molekulinis kompiuteris, veikiantis pagal vieną ar kitą principą. Kompiuteris yra paprasčiau sudėtingesnis įrenginys nei variklis ar automobilis, jis taip pat pasirodė makrolygiu gerokai vėliau. Kuo prestižiškesnis bus tai padaryti. Tai iššūkis būsimiems Nobelio premijos laureatams, skirtiems molekulinio kompiuterio kūrimui ir sintezei.

P. S. Populiariame moksliniame straipsnyje kai kuriuos dalykus reikėjo supaprastinti. Suinteresuotas skaitytojas visada gali rasti griežtesnius ir visapusiškus apibrėžimus šioje temoje ar dabar lengviau internete, tačiau pastaruoju atveju turite, žinoma, prisiminti, kad ne viskas, kas čia parašyta, yra tiesa.

1. Budyka M. Fizikai padarė tai, ką fizikai jau seniai sapnavo // TrV-Science. 2016 m. Spalio 18 d. №215.

2. De Silva A. P., Gunaratne H. Q. N., McCoy C. P.Molekulinė fotoioninė IR vartai, pagrįsti fluorescuojančia signalizacija // Gamta. 1993. 364. R. 42-44.

3. a) De Silva A. P., Uchiyama S. Molekulinė logika ir skaičiavimas // Nat. Nanotechnologija. 2007. 2. P. 399-410;
b) Szacilowski K. Skaitmeninis informacijos apdorojimas molekulinėse sistemose // Chem. Rev. 2008. 108. P. 3481-3548;
c) Pischel U., Andreasson J., Gust D., Pais V. F. Informacijos apdorojimas su molekulėmis-Quo Vadis? / / ChemPhysChem. 2013. 14. R. 28-46.

4. Budyka M.F., Li V.M. Daugiafunkciniai fotoniniai molekulinės logikos vartai, kurių pagrindą sudaro bifotokrominis dyadas su sumažintą energijos perkėlimu // 2016. DOI: 10.1002 / cphc.201600722.

5. a) Stojanovič M. N., Stefanovič D., Rudchenko S. Pratimai molekulinėse skaičiavimuose // Ak. Chem. Res. 2014. 47. 1845-1852;
b) Orbach, R., Willner, B., Willner, I. Chem. Commun. 2015. 51. P. 4144-4160.

6. a) Budyka MF fotoninės molekulinės logikos įtaisai // Aukšto energetikos chemija. 44. p. 154;
b) Andréasson J., Pischel U. Informacinių molekulių laikymas ir apdorojimas: daugiafunkciniai chromo jungikliai // Isr. J. Chem. 2013. 53. P. 236-246.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: