Малекулярная электроника и биоэлектроника

Введение
В настоящее время активно формируется материаловедческий базис микро- и наносистем для восприятия, преобразования, хранения и передачи энергии и информации. В качестве доминирующих научных направлений в данной области знаний можно выделить:
• синтез композиций пониженной размерности (искусственные и естественные нульмерные, одно- и двумерные сверхструктуры);
• синтез новых материалов и композиций, имитирующих структурную организацию отдельных элементов биосистем и принципы их обмена материей, энергией и информацией с окружающей средой;
• создание атомно-молекулярной технологии, адекватной решаемым задачам, на основе процессов атомно-молекулярной эпитаксии и модифицирования, а также молекулярного наслаивания и сборки;
• применение для создания сенсоров и устройств хранения и обработки информации надмолекулярных органических композиций, обладающих селективностью и сверхсенсорностью, адаптивностью и ассоциативностью;
• разработка принципов формирования, обработки и передачи информации с минимальными энергетическими и временными затратами.
В литературе последних лет активно используются термины «молекулярная электроника», «биоэлектроника» и «биомолекулярная электроника».
Их «биологическое» толкование сводится к тому, что «биомолекулярная электроника (биоэлектроника) – это новое научное направление биотехнологии, ориентированное на создание электронных вычислительных и измерительных устройств на основе биологических материалов и принципов».
Сутью «физического» толкования является утверждение о том, что «целью исследований в области биоэлектроники является имитация переноса электрона на молекулярном уровне».
Характерные черты идеальной системы, обладающей сенсорнопроцессорными свойствами, способностью к воспроизводству и эволюционной адаптации, определяются следующими положениями:
• синтез базисных конструктивно-функциональных элементов должен быть ориентирован на использование процессов матричного копирования, самосборки, самоорганизации и отбора;
• преобразование и генерация информации должны быть основаны на квантовых и макроскопических синергетических нелинейных процессах с распараллеливанием информационных каналов;
• процессы усиления сигнала должны быть преимущественно ориентированы на встроенные источники энергии, при этом перенос заряда и энергии должен реализовываться практически без потерь;
• искусственно созданная или естественная селективность по отношению к внешним информационным и технологическим возмущениям должна обеспечивать адаптацию или избирательность к воздействиям.
Учитывая все изложенное, обратим особое внимание на конформационные свойства биомакромолекул и их комплексов, определяющие многообразие структурно-устойчивых модификаций и, как следствие, многообразие свойств при единстве базового химического состава.

 
Глава 1. Молекулярная электроника
Направление молекулярной электроники возникло во второй половине ХХ в. и связано с появлением в 1981 г. туннельного микроскопа, изобретенного учеными из IBM. Помимо возможности «видеть» отдельные атомы, данный прибор также позволял менять их положение в пространстве, иными словами, поднимать атомы и перемещать их. Таким образом, туннельный микроскоп предоставил новый способ воздействия на атомы и поспособствовал созданию на их основе различных устройств и машин. В то время, когда полупроводниковая электроника только стремилась к технологической норме в один микрон, молекулярная электроника работала с атомами и молекулами, представляющими собой естественный предел миниатюризации в наноэлектронике.
Молекулярная электроника представляет собой направление электроники, которое изучает молекулярные системы, их синтез и занимается разработкой технологии для создания приборов и устройств обработки и хранения больших объемов информации. Перед молекулярной электроникой стоит задача перевести электронные устройства на новую элементную базу, отличную от той, которую использует полупроводниковая электроника. Она пытается использовать для создания элементов биомолекулы, а также заложенные в них принципы обработки и передач информации.
Молекулярная электроника – это междисциплинарная наука, продвижение и изучение которой невозможно без необходимых знаний по физике твердого тела, квантовой физике и химии, по органической химии, электронике и нанотехнологиям.
Технология молекулярной электроники в первую очередь основана на принципе самосборки. Он заключается в создании определенных условий, при которых молекулы и атомы самостоятельно объединяются в заданные молекулярные структуры. Благодаря этому принципу синтез полученной молекулярной системы обеспечивает идентичность собранных структур и эффективность их функционирования.
Развитие молекулярного направления в микроэлектронике предполагает решение нескольких проблем: синтез молекул, которые будут способны как хранить, так и передавать и даже менять информацию, способы организации молекул в ансамбли и молекулярные электронные устройства, а также разработка физических принципов функционирования соответствующих устройств.
Молекулярные технологии делится на две взаимосвязанные, но при этом самостоятельные области: наномолекулярную электронику и макромолекулярную электронику. Первая область занимается достижением минимальных размеров элементов, сопоставимых с размерами одномолекулярных устройств, таких как молекулы, транзисторы и элементы памяти. Макромолекулярная электроника нацелена на разработку и создание электронных компонентов на основе молекулярных структур, подобно электронным схемам и солнечным батареям.
В макромолекулярной электронике значимым достижением считается изобретение светоизлучающих диодов, эффективность которых выше 20%. Данное изобретение находит свое применение в современных сотовых телефонах и различных цифровых фотоаппаратах.
Перспективность развития микроэлектроники обусловлена несколькими факторами. Во-первых, особенностями строения молекулы, являющейся «идеальной квантовой структурой». Во-вторых, достаточно большим разнообразием молекулярных структур и простотой их модификаций, что, в свою очередь, дает широкий спектр физических эффектов, которые могут в дальнейшем использоваться в подобных системах на атомном и молекулярном уровне .