Molekularni računalniki: značilnosti, zgodovina nastanka - Tehnološke novice in visoka tehnologija flipperworld.org

Če se računalniška tehnologija še naprej razvija po enaki hitrosti kot danes, dobesedno, v desetih letih lahko pričakujete, da bodo računalniki postali 1000-krat močnejši. Trdi diski bodo lahko shranili več informacij 10.000-krat. Verjetno je, da ta preboj ne bo povezan s silicijskimi čipi, ki že dosegajo meje svojih zmogljivosti.

Spoznanja iz narave

V poskusu, da bi na molekularni ravni zgradili računalnike s podrobnostmi, znanstveniki kopirajo naravo. Molekularni sklopi so glavna sestavina za ustvarjanje nanokomputerjev (bioračunalniki, molekularni računalniki). Trenutno v računalniški tehnologiji prevladuje "nadaljnji pristop", ki vključuje odstranitev nepotrebnega materiala iz velikih objektov. Pri izdelavi silicijevih čipov se na primer uporablja litografija. Toda ta tehnika ne omogoča zmanjšanja elektronskih komponent na velikost atoma.

Zato so se znanstveniki za hitrejši in močnejši računalniki prihodnosti obrnili na "pristop od spodaj navzgor". Temelji na sestavi molekularnih struktur. Ta ideja je bila vzeta iz narave, ki pri ustvarjanju molekul nukleinskih kislin uporablja različne gradnike. Proces pretoka neodvisne zbirke molekul bo pogojen z naslednjimi pogoji:

termodinamični faktorji (moč interakcij molekul);

kinetični dejavniki (hitrost gradnje);

sile, ki držijo celotno strukturo skupaj.

Zgodovinaizdelava računalnikov na osnovi molekularne tehnologije

Že leta 1974 je študent Mark Ratner in njegov raziskovalni direktor Ariyah Awiram poročal o možnostih miniaturiziranja elektronskih komponent do velikosti molekule. Aviram je predlagal revolucionarno idejo za zamenjavo silicijevih tranzistorjev in diod s posameznimi organskimi molekulami.

Izhodišče za tako znanstveno revolucijo je bilo teoretično opisano kot "molekularni usmernik". Na podlagi imena je ta naprava zasnovana za pretvorbo AC v konstanto. Vendar pa ideja o Ratnerju in Aviramu sprva ni našla ustrezne podpore in ni prišla do ničesar. Le nekaj let kasneje, v zgodnjih osemdesetih, je majhna skupina znanstvenikov vzela svoje napore in jih začela uteleševati. V tem času se je rodila molekularna elektronika.

Faze razvoja molekularne elektronike

V svojem obstoju so najpomembnejši prodori na področju molekularnih računalnikov značilni za tri obdobja: 1974 (izvor), 80. let prejšnjega stoletja (obnova raziskav), začetek 2000-ih let 21 stoletja (vrsta prebojev in izumov). V letu 2015 se je hitra rast v tem sektorju nekoliko upočasnila, kar še vedno ne dopušča, da bi v bližnji prihodnosti molekularne komponente zatrli. Katere značilnosti molekularnih računalnikov bodo omogočile doseganje novih tehnologij? Odgovor na to vprašanje je na površini. Prvič, to je znatno zmanjšanje velikosti, povečanje hitrosti in razširitev pomnilnika.

Bistvo revolucijeAviram in Ratner

Molekula naj bi veljala za polprevodniško diodo. En del deluje kot donor elektronov in je analogen n-domeni diode. Drugi del deluje kot sprejemnik elektronov in ustreza p-domeni diode. Ko se napetost nanese na robove molekule, se bodo elektroni začeli premikati od enega konca do drugega. Uporaba napetosti z nasprotnim znakom bo preprečila gibanje elektronov.
Ameriški znanstveniki so v podporo svojemu konceptu predlagali model molekularnega usmernika. Predstavlja ločeno molekulo, na enem koncu katere teče izmenični tok, v drugem pa je konstantna. Kljub temu, da je bil ta predlog objavljen v reviji Time, je znanstvena skupnost takrat pokazala malo zanimanja za to. In šele v poznih 70. letih prejšnjega stoletja je zanimanje za to temo pokazal kemik ameriškega pomorskega raziskovalnega laboratorija Forest Carter.

Gradnja računalnikov z uporabo molekularnih tehnologij

Podlaga praktično vsake elektronske naprave v našem času je komponenta, kot je tranzistor. Računalniška tehnologija bo v prihodnjih letih namenjena zmanjšanju velikosti te komponente.

Slika prikazuje uporabo skupine molekul za ustvarjanje kvantiziranega in nadzorovanega toka nabojev pri sobni temperaturi. Tranzistor ima tri področja - bazo, kolektor in oddajnik. Ko tok teče med kolektorjem in oddajnikom, je tranzistor odprt. Napetost, ki se je nanašala na bazo, medtem ko je presegla nekaj mejnih vrednostipomena. Ko je napetost nižja od mejne vrednosti, se tranzistor zapre.
Pri izdelavi molekularnih naprav se načrtuje uporaba enakih načel. Naprave, zgrajene na molekulah, kot so silicijevi tranzistorji, bodo imele preklopne funkcije.

Logična vrata od IBM-a

Ventil molekularne logike je sestavljen iz dveh molekul naftalocianina, ki ju skenira konica mikroskopa za skeniranje pri nizkih temperaturah. Ko impulz napetosti preide iz enega konca molekule v drugega, dva vodikova atoma v sosednjih molekulah (prikazana v beli barvi v središču molekule) spremenita svoj položaj. V tem primeru se celotna molekula premakne iz stanja "vklopljenega" v "izklopljeno". Ta naprava bo logična vrata - ena glavnih komponent računalniških čipov in gradnik za molekularne računalnike.

Obseg molekularnih sestavin

Blokovski sklopi so našli svojo uporabo pri ustvarjanju zaslonov. Najnovejši razvoj na področju molekularne elektronike vključuje svetleče diode, sestavljene iz ene molekule, in tranzistorji na ogljikovih nanocevkah, ki so povezani s silicijem v monolitnem integriranem čipu. Znanstveniki iz judovske univerze v Jeruzalemu so bili povabljeni, da oblikujejo nanožice na osnovi molekularne DNK. So alternativa bakrenim žicam. Na Univerzi Columbia v New Yorku je bil izračunan koeficient ravnanja diode na ločeni molekuli - več kot 200-krat.

Raziskovalci na Univerzi Jyväskylä (Finska) so razvili molekularni spomin računalnika. Ta vrsta spomina lahko zapomni smer magnetnega polja v daljšem časovnem obdobju, potem ko je izklopljena pri ekstremno nizkih temperaturah. V prihodnosti bo to odkritje povečalo zmogljivost trdih diskov brez povečanja njihove velikosti.

Računalniki prihodnosti

Kljub dejstvu, da so bili v molekularni elektroniki doseženi številni prodori, fotografije molekularnega računalnika na internetu ne bodo najdene. To je zato, ker še ni takšnega računalnika. Toda v bližnji prihodnosti lahko pričakujemo izum molekularnih računalnikov. Pripadajo arhitekturi von Neumanna, zdaj ste lahko že prepričani v to. To je posledica dejstva, da bi morale molekule zamenjati elektronske komponente, struktura računalnika pa ostala nespremenjena.

Materiali za molekularno elektroniko

1. Poliacetilen. 2. Polifenilen-vinilen. 3. Polipirol (X = NH) ali politiofen (X = S). 4. Polianilin (X = NH /N) ali polifenilen sulfid (X = S).