научная статья по теме ФОТОННЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА Химия

Текст научной статьи на тему «ФОТОННЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2010, том 44, № 2, с. 154-160

= МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОТОНИКА

УДК 514.14

ФОТОННЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

© 2010 г. М. Ф. Будыка

Институт проблем химической физики Российской академии наук 142432, Московская обл., Черноголовка, просп. Академика Семенова, 1 E-mail: budyka@icp.ac.ru

Поступила в редакцию 08.09.2009 г.

В настоящее время активно исследуется возможность осуществления логических операций на молекулярном уровне, с целью разработки молекулярных логических устройств (МЛУ), которые можно будет использовать в информационных технологиях. В мини-обзоре рассмотрен алгоритм дизайна МЛУ, отмечены требования, которым должна удовлетворять молекулярная система для использования в качестве МЛУ. Даны примеры МЛУ, выполняющих разнообразные логические операции. Основное внимание уделено полностью фотонным МЛУ, в которых свет используется в качестве входного сигнала для перевода системы из одного состояния в другое и для считывания выходного сигнала по поглощению или люминесценции. Кратко рассмотрены также оптоэлектрон-ные устройства, для которых входным сигналом является свет, а выходным — электрический ток.

Уменьшение размера наноустройств неизбежно упирается в физический и технологический пределы, ниже которого продвижение по принципу "сверху-вниз" невозможно. Использование другого принципа — "снизу-вверх" — требует создания и исследования разнообразных молекулярных систем, способных выполнять функции проводников сигнала, переключателей, диодов, элементов памяти, а также логических устройств.

Логическое устройство (ЛУ) — это переключатель, входной (input) и выходной (output) сигналы которого могут принимать только значения "0" или "1". Зависимость значений выходных сигналов от входных определяется таблицей состояний (истинности) логического устройства [1]. Таблицы состояний некоторых важнейших логических функций даны в табл. 1.

Таблица 1. Таблицы состояний (истинности) различных логических функций

Вход (input) Состояние Выход (output)

in1 in2 AND NAND OR XOR INH

0 0 А 0 1 0 0 0

1 0 B 0 1 1 1 1

0 1 C 0 1 1 1 0

1 1 D 1 0 1 0 0

В молекулярном ЛУ (МЛУ) основной рабочий элемент — молекула. Для использования в роли МЛУ соединение должно удовлетворять ряду требований: иметь несколько (минимум 2) стабильных состояния (формы); эти состояния должны обладать разными (различимыми) свойствами: оптическими (поглощение, люминесценция, оптическая активность), электрохимическими, магнитными и т.д.; наконец, в результате некоторого внешнего воздействия должен быть возможен обратимый переход из одного состояния в другое.

Внешнее воздействие выполняет роль входного сигнала для МЛУ и может иметь химическую или физическую природу. Чаще всего используется химическое воздействие — изменение кислотности среды (добавление кислоты или щелочи), добавление ионов металлов или других реагентов. В качестве физического воздействия используют облучение светом, нагрев. Выходной сигнал МЛУ фиксируют по изменению некоторого свойства — оптической плотности, интенсивности люминесценции, оптической активности, электрохимического потенциала, вязкости, и т.п.

Наибольшее внимание привлекают двухадресные МЛУ, имеющие два входных канала и один (может быть и больше) выходной канал [1—7]. Двухадресное МЛУ строится на основе соединения, содержащего 2 рецептора (Р), воспринимающих входные сигналы, а для генерации выходного сигнала обычно служит флуорофор (Ф). Общую блок схему, по которой построено большинство двухадресных

А т1 В

(0, 0) (1, 0)

т2| т2|

С т1 Б

(0, 1) (1, 1)

Сравнение двух циклов показывает, что каждое из состояний МЛУ можно сопоставить с конкретным состоянием (формой) СХ. Отметим, что в ка-

МЛУ, можно представить как Ф-Р1-Р2 или Р1-Ф-Р2 [1]. Рецепторы реагируют на внешнее воздействие и существуют в двух состояниях, одно из которых является тушителем люминесценции флуо-рофора. Чередуя внешние воздействия (входные сигналы), можно менять интенсивность люминесценции (выходного сигнала) и таким образом осуществлять логические операции. Если вместо флуо-рофора использовать хромофор, выходной сигнал считывают по оптической плотности.

Рассмотрим на примере 2-стирилхинолина (СХ) алгоритм дизайна МЛУ. Молекула СХ включает в себя две функциональные группы — центральную двойную связь и эндоциклический (хи-нолиновый) атом азота, способные к обратимым превращениям — фотоизомеризации и протониро-ванию соответственно [8]. Благодаря этому СХ может существовать в четырех стабильных состояниях (формах): в виде нейтральных цис- и транс-изомеров и протонированных цис- и транс-изомеров и является удобным объектом для исследования принципов создания и действия МЛУ [9—11].

Для наглядности на схеме 1 состояния ЛУ и переходы между ними в результате воздействий показаны в виде квадрата, вершины которого соответствуют четырем различным состояниям (А, В, С и Б), а стрелки вдоль сторон — воздействиям на два входа (т1 и т2). Здесь же показан цикл обратимых химических превращений между различными состояниями СХ.

честве исходного состояния МЛУ (А) можно выбрать любую из форм СХ, поскольку переходы между формами возможны во всех направлениях, так

Н

Схема 1.

Спектры поглощения 2-стирилхинолина (СХ) в этаноле в нейтральной (1, 2) и протонированной (3, 4) формах (гидрохлорид), ^с-изомеры (1, 3) и транс-изомеры (2, 4). Вертикальными линиями показаны длины волн, считывание оптической плотности на которых позволяет получить соответствующее МЛУ [9]. Справа — символьное изображение МЛУ на основе СХ.

как полностью обратимы. После такого сопоставления легко вывести требования к свойствам конкретных форм СХ, которым они должны удовлетворять для построения МЛУ. Например, для работы ЛУ, выполняющего функцию логического умножения ("И", "AND"), согласно табл. 1, необходимо, чтобы выходной сигнал имел значение "1" только при наличии сигнала на обоих входах устройства (1,1) и значение "0" при трех остальных вариантах воздействия. Из сопоставления двух циклов на схе-

Таблица 2. Соотношение между воздействием на молекулярное логическое устройство (МЛУ) и его состоянием (схема 1) и формой 2-стирилхинолина (СХ), соответствующей этому состоянию, при использовании цис-изомера в качестве исходной формы

Воздействие Состояние МЛУ Форма СХ

- А cis

hv B trans

HC1 C cis-HC1

hv + HC1 D trans-HC1

ме 1 следует, что свойства какой-либо одной из форм СХ, которую следует соотнести с конечным состоянием МЛУ (D), должны отличаться от свойств трех остальных форм СХ, которые следует соотнести с начальным и промежуточными состояниями МЛУ (A, B и C), причем свойства этих трех состояний могут совпадать.

На рисунке в качестве примера показаны спектры поглощения цис- и транс-изомеров СХ в нейтральной и протонированной формах, соответствующие четырем термически стабильным соединениям, приведенным на схеме 1. После соотнесения каждого из этих соединений с одним из состояний МЛУ можно легко определить, в каком из состояний находится логическое устройство (A, B, C или D), поскольку спектры различных форм стирилхи-нолина существенно различаются.

Если в качестве исходного состояния МЛУ взять цис-изомер, а в качестве воздействий (входных сигналов) — облучение светом (in1) и добавление кислоты (in2), то разные состояния МЛУ после соответствующего воздействия будут соотноситься с разными формами стирилхинолина так, как это показано в табл. 2. Конечному состоянию МЛУ (D) соответствует протонированный транс-изомер, и, например, для реализации логической функции "И" ("AND") необходимо отличить это состояние от трех других. Как видно на рисунке, это легко сделать по оптической плотности на длине волны X = = 381 нм, где нейтральные формы (состояния A и B) не поглощают свет, а протонированный цис-изомер

(состояние С) поглощает значительно слабее транс-изомера. Для перевода аналогового сигнала (оптическая плотность) в цифровой (0 или 1) необходимо установить некоторое пороговое значение оптической плотности, ниже которого выходной сигнал будет иметь значение "0", а выше которого — значение "1".

Для получения логической функций "ЗАПРЕТ" ("ШН") необходимо состояние В МЛУ, соответствующее нейтральному транс-изомеру СХ (табл. 2), отличить от трех остальных состояний. Как видно на рисунке, это легко сделать по оптической плотности на длине волны X = 325 нм. Аналогично, логическую функцию "ИЛИ" ("ОЯ") можно получить, считывая оптическую плотность на длине волны 353 нм, установив необходимое пороговое значение. Длины волн 325, 353 и 381 нм, считывание оптической плотности на которых позволяет получить на основе СХ разные МЛУ, показаны на рисунке вертикальными линиями.

Из-за обратимости реакции фотоизомеризации при облучении светом невозможно полностью перевести цис- в транс-изомер и обратно. В реальных условиях под действием света с длиной волны X достигается фотостационарное состояние состоящее из смеси цис- и транс-изомеров. Фотостационарные состояния PS313 и PS365, достигаемые при облучении СХ светом с длиной волны 313 и 365 нм соответственно, достаточно различаются спектрально, что позволяет осуществлять различные логические операции [9, 10]. Показано, что МЛУ на основе СХ способно оперировать не только в растворе, но и в полимерной пленке [11].

Таким образом, анализировать состояние МЛУ, т.е. считывать выходной сигнал, можно на разных длинах волн. При этом отклик может быть различным, т.е. можно производить разные логические операции с помощью одной и той же молекулярной системы. Это уникальное свойство — совместимости нескольких логических устройств в одном или перенастраиваемости логических устройств на разный тип работы — принципиально недостижимо в используемых в настоящее время полупроводниковых элементах, где для каждой логической операции необходимо отдельное устройство.

На примере СХ виден также недостаток большинства рассмотренных в литературе МЛУ, для которых роль входного сигнала выполняет некоторое химическое воздействие —добавление кислоты или щелочи, ионов металлов, других реагентов. Применение таких устройств фактически ограниченно растворами.

Эт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком