Молекулы как элементы устройств памяти, логики и отображения информации

Введение

Когда наука открыла механизмы и код наследственности, то все поняли, что молекулы ДНК – это удивительные субминиатюрные устройства долговременной памяти. В объеме порядка 1 мкм³ в виде последовательностей аминокислотных остатков там сохраняется информация, достаточная для построения всего человеческого организма! А для биохимического считывания этой информации хватает объема одной живой клетки. Этот "патент природы" показал, что для создания субминиатюрной долговременной памяти наилучшим способом кодирования информации на молекулярном уровне является последовательность атомов или атомных групп в составе молекулы.

В принципе для кодирования и хранения информации может быть использовано любое устойчивое свойство молекулы.

Память с использованием дипольного момента молекул

Например, электрический дипольный момент молекулы может быть ориентирован в определенном направлении. Можно договориться, что ориентация вверх будет означать логический "0", а ориентация вниз – логическую "1". Как вы уже знаете из предыдущих лекций, главное для создания оперативной адресной памяти – это то, как организовать адресное считывание и запись/перезапись информации, обеспечить надежность хранения данных при отключенном питании, не теряя главные преимущества: высокую плотность записи, малое энергопотребление, высокое быстродействие.

На рис. 4.1 приведена возможная схема матричной организации молекулярной оперативной памяти с использованием электрического дипольного момента молекул. Молекулы (М) условно изображены здесь в виде продолговатых эллипсоидов; стрелками показано направление дипольного момента каждой из молекул.

Рис. 4.1. Схема матричной организации молекулярной памяти: М – молекулы; РШ – разрядные шины; АШ – адресная шина; Н – ответвление молекулы ("ножка", "якорь"), с помощью которого молекула прикрепляется к шине (иммобилизуется)

Молекулы М иммобилизуются на разрядных шинах матрицы (РШ) с помощью специальных ответвлений ("ножек") Н, относительно которых основная часть молекулы может поворачиваться. Сверху формируется система поперечных адресных шин матрицы. На рис. 4.1 показана лишь одна из них (АШ). В режиме записи информации выбранная адресная шина АШ соединяется с "землей", а на разрядные шины подается положительный потенциал, если в соответствующем разряде должна быть записана двоичная "1", или отрицательный потенциал, если должен быть записан двоичный "0". Под действием приложенной разности потенциалов электрические дипольные моменты молекул ориентируются в соответствующем направлении. Чтобы это происходило быстро и с незначительными затратами энергии, среда между системами адресных и разрядных шин должна быть газообразной, жидкой или жидкокристаллической. Энергия переориентации электрических диполей должна быть на порядок больше средней энергии теплового движения (), чтобы вероятность спонтанной переориентации диполей была ниже заданной величины.

В режиме считывания информации выбранная адресная шина АШ тоже соединяется с "землей", а на разрядных шинах под влиянием дипольных моментов молекул устанавливается небольшой отрицательный потенциал, если в соответствующем разряде записана двоичная "1", или положительный потенциал, если записан двоичный "0". Эти потенциалы считываются чувствительными электронными усилителями.

Память с использованием изменений конфигурации молекул

Для кодирования информации можно использовать также обратимую перестройку молекулярных орбиталей (МО) и соответственно изменение пространственной конфигурации молекул. На рис. 4.2 показано, например, возможное обратимое изменение конфигурации молекулы азобензола. В этой молекуле два бензольных кольца соединены мостиком из двух атомов азота. Показаны два возможных варианта конфигурации этой молекулы – так называемые "транс-форма" и "цис-форма".

Рис. 4.2. Изменения структуры молекулы азобензола при поглощении света

Поскольку молекулярные орбитали бензольных колец взаимно отталкиваются, то более устойчивой является транс-форма молекулы, когда эти молекулярные орбитали максимально удалены. Однако в определенных условиях устойчивой является и цис-форма. Оказалось, что транс-форма может быть быстро переведена в цис-форму при поглощении ультрафиолетового света с длиной волны 313 нм (одна из спектральных линий ртутной лампы и вместе с тем одна из сильных полос поглощения молекул транс-азобензола). Энергии одного кванта такого света как раз достаточно для трансформации молекулы. Обратный переход – от цис- к транс-форме – возможен при поглощении видимого света (широкая полоса поглощения молекул цис-азобензола) или при нагревании. Обращаем Ваше внимание и на то, что при такой трансформации изменяется не только конфигурация, но и размер молекулы. А это позволяет построить "молекулярный двигатель", приводимый в действие светом.

Еще один пример показан на рис. 4.3. Здесь конфигурация молекулы обратимо изменяется при поглощении кванта циркулярно поляризованного света соответствующей ориентации. Обе конфигурации молекулы являются стабильными. В какой именно конфигурации находится молекула, можно определить, пропуская линейно поляризованный свет. В одной конфигурации плоскость поляризации света немного поворачивается влево, а в другой конфигурации – вправо.

Рис. 4.3. Изменения конфигурации молекулы при поглощении циркулярно поляризованного света

Адресация к отдельным наборам молекул (ячейкам памяти), запись в них информации и считывание возможны с помощью света. Плотность записи информации ограничивается в таком случае только явлениями дифракции света.

Память с использованием ротаксанов

Более перспективными для реального достижения высокой плотности хранения информации в оперативной памяти являются сейчас супрамолекулярные конструкции. Американские ученые (Калифорнийский университет – UCLA и Калифорнийский технологический институт – Caltech) для реализации оперативной молекулярной памяти сконструировали, например, специальный ротаксан. "Осью" была цепочка из полиэфира, в которую встроены два звена дифенила (соединенные бензольные кольца, рис. 4.4 вверху). Звено А имеет "эскорт" из двух аминогрупп, а звено В – из двух атомов кислорода. "Кольцо" ротаксана ( рис. 4.4 внизу) состоит из 4-х групп пиридина и двух бензольных колец. Поскольку в циклы пиридина входят ионы азота (), то "кольцо" в целом является катионом с электрическим зарядом .

Рис. 4.4. Составные части молекулярного элемента памяти – ротаксана

После того как "кольцо" насажено на "ось", концы "оси" присоединяются ковалентными химическими связями к электродам ( рис. 4.5). При этом для компенсации электрического заряда "кольца" из левого электрода на "ось" ротаксана переходят 4 электрона, которые "оседают" на фрагменте А (см. рис. 4.4).

Рис. 4.5. Молекулярный элемент памяти – [2]-ротаксан между металлическими электродами. Вверху и внизу – два возможных устойчивых состояния

Положительно заряженное "кольцо" под действием кулоновских сил тоже оседает на этом месте и может находиться здесь как угодно долго. Если же на правый электрод кратковременно подать небольшой положительный потенциал, то 4 электрона через свободные молекулярные орбитали перемещаются из фрагмента А на фрагмент В ( рис. 4.4). И тогда под действием кулоновских сил положительно заряженное "кольцо" тоже передвигается вправо – к фрагменту В. При отсутствии электрического тока оно и в этом положении может находиться сколь угодно долго. Для организации оперативной памяти ученые изготовили электроды в виде двух взаимно перпендикулярных систем наноразмерных металлических шин. На каждом пересечении двух шин размещались приблизительно по 300 супрамолекулярных структур описанного ротаксана.

Для записи информации выбранная адресная шина соединяется с "землей", а на разрядные шины подается положительный или отрицательный потенциал, – в зависимости от того, что должно быть записано в соответствующую "ячейку", – двоичная "1" или двоичный "0". При считывании измеряется небольшой потенциал между адресной шиной и соответствующей разрядной шиной. В одних случаях он положительный, в других – отрицательный, что и позволяет сформировать соответствующие сигналы считывания.

На рис. 4.6 слева приведена структурная схема матрицы памяти, а справа – микрофотография экспериментального чипа оперативной памяти на описанных молекулах ротаксана. Серый прямоугольник внутри – это матрица из 400 х 400 "ячеек" памяти. Круглые объекты – это лейкоциты крови человека, специально нанесенные для сравнения.

Рис. 4.6. Слева – структура молекулярной матрицы памяти, справа – микрофотография экспериментального чипа ОЗУ на 160 кбит. Для сравнения сфотографированы также лейкоциты человеческой крови

Плотность записи информации достигает здесь 10¹¹ бит/см². И определяется она лишь возможностями нанотехнологии изготовления системы шин. А частота записи/считывания определяется лишь возможностями электронных схем коммутации шин и узлов усиления и формирования сигналов считывания. Собственные возможности супрамолекулярных структур ротаксана намного выше.