Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. Молекула [2]-ротаксана
Рис. 2. Универсальный переключатель. Механизм переключения (вверху) и зависимость кинетического параметра от обратной температуры (внизу).
Рис. 3. Схематическое изображение изготовления наноразмерных молекулярных переключателей методом литографического оттиска (imprint lithography).
(продолжение...) Схематическое изображение изготовления наноразмерных молекулярных переключателей методом литографического оттиска (imprint lithography).

Вечная память

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Семенова Анна Александровна

Опубликовал(а):  Травкин Илья Олегович

10 мая 2009

Ответ Семеновой Анны Александровны на задачу "Вечная память" секции "Нанохимия"

1. Представленная на рисунке молекула относится к классу ротаксанов – химических соединений, состоящих из двух фрагментов: циклического (макроциклическое соединение) и пронизывающего его линейного (длинная гантелеобразная молекула), - между которыми отсутствует химическая связь. Объемные заместители на концах гантели играют роль своеобразных «заглушек» и не дают макроциклу соскользнуть со стержня, поэтому макроцикл может передвигаться вдоль оси молекулярной гантели.

2. Молекула [2]-ротаксана (two-state rotaxane) представлена на рис.1, причем цветом выделены ее основные компоненты:

  1. положительно заряженное макроциклическое соединение – виологен-содержащее кольцо (обозначено синим цветом);
  2. тетратиафульваленовый фрагмент – TTF (зеленый);
  3. диоксинафталиновый фрагмент (красный).

Функции этих компонентов заключаются в следующем. Положительно заряженное макроциклическое кольцо может фиксироваться межмолекулярными взаимодействиями в двух различных позициях:

  • «нуль» логического электронного элемента – в обычном (непроводящем) состоянии кольцо связывается с TTF (зона минимальной проводимости);
  • «единица» – окисление TTF приводит к тому, что фрагмент TTF приобретает положительный заряд, вследствие чего положительно заряженное кольцо макроцикла отталкивается и перемещается к диоксинафталиновому фрагменту (зона максимальной проводимости).

3. На рис. 2 (вверху) представлен электромеханический механизм переключения в бистабильных [2]-ротаксанах. Положительный импульс напряжения окисляет основное состояние, приводя к переходу в метастабильное состояние. В период окисления макроциклическое кольцо (синего цвета) перемещается от зеленого участка к красному. Основное состояние перестраивается термически (стадия, лимитирующая скорость реакции) или после отрицательного импульса напряжения. Как видно по рис. 2 (внизу), скорость лимитирующей стадии определяется средой, которая включает растворитель, самособирающийся монослой (SAM), полимер, молекулярный переключатель туннельного перехода (MSTJ). При замедлении цикла переключения энергетический барьер повышается от 16 до 21 ккал/моль. Эксперимент группы Хита и Стоддарта проходил следующим образом. Группа ученых разместила монослой молекул [2]-ротаксана между перекрещивающимися 400 кремниевыми и 400 титановыми нанопроводами. Шаг решетки составляет около 30 нанометров (15 нм ширина провода и столько же — расстояние между соседними проводами). В каждой точке пересечения между кремнием и титаном локализовано около 100 молекул, способных реагировать на электрические сигналы. Подавая напряжение на один горизонтальный и один вертикальный провод, можно прочитать или записать один бит информации. При этом каждый из 400 х 400 = 160 000 битов может функционировать независимо от других. Таким образом, создан работающий прототип молекулярного чипа, способного хранить около 20 килобайт информации на площади в 100 раз меньше, чем срез человеческого волоса.

4. Один из концов гантели гидрофильный, другой – гидрофобный, это позволяет получать из ротоксанов пленки. В упорядоченных одномолекулярных пленках ротаксанов все молекулы одинаково ориентированы. Поэтому применение пленок вместо отдельных молекул наиболее целесообразно и эффективно.

5-6. Методом Ленгмюра-Блоджетт молекулярный монослой [2]-ротаксана был осажден на всю поверхность подложки, покрывая закрепленные металлические электроды (рис. 3a). При осаждении пленки Ленгмюра-Блоджетт добавление трис(гидроксиметил)аминометана позволяло поддерживать pH водной субфазы ~8,5. Изготовление верхних электродов началось с напыления защитного титанового слоя толщиной 7,5 нм. Титановый слой проявляет реакционную способность к верхней функциональной группе молекул, что способствует формированию прямого электрического контакта с молекулами, которые также блокируют дальнейшее проникновение металла в молекулярные слои Ленгмюра-Блоджетт. Титановый слой также минимизирует последующее повреждение молекул, позволяя далее сопротивляться органическим обработкам и растворителю (рис. 3b). Электроды с 5 нм Ti и затем 10 нм Pt были изготовлены процессом оттиска, используя ту же форму. Для верхних электродов форма отпечатки была ориентирована перпендикулярно основанию электродов и выровнена таким образом, чтобы гарантировать пересечение верхних и нижних нанопроводов (рис. 3c). Эксперименты показали, что молекулы [2]-ротаксана устойчивы до 210оС, поэтому молекулярная структура не должна измениться в течение процесса отпечатки. Наконец, реактивное ионное травление (RIE) газами CF4 и O2 (4:1) при давлении 40 мторр и мощности 200 Вт использовалось для анизотропного удаления защитного титанового слоя до слоя SiO2, но при этом Pt электроды остались селективно неповрежденными. Молекулы и Ti слой под Pt электродом были защищены. После RIE получилась матрица устройств с молекулярным монослоем, помещенным между двумя металлическими нанопроводами (рис. 3d).

7. Несомненно, такие элементы могут иметь преимущества перед «флэш-памятью», магнито-оптическим способом записи, голографическим способом записи, т.к. могут стать основой для значительно более компактной молекулярной электроники. В идеале, каждую молекулу такого вещества можно было бы использовать как отдельный универсальный переключатель, хранящий 1 бит информации. Тем не менее, это только прототип. Экспериментаторы столкнулись с рядом трудностей. Так, подвести к нанопроводам внешние контакты оказалось задачей более сложной, чем создать сами нанопровода, в связи с чем реально функционирует только небольшой участок микросхемы – 10х18 бит. Из всех протестированных битов сработала только половина, и с только с половины из них удалось считать записанную информацию. К тому же, молекулы [2]-ротоксана пока выдерживают лишь несколько циклов записи, а затем перестают функционировать.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 9.4 (голосов 7)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Почвенная Золотая рыбка
Почвенная Золотая рыбка

Обо всем и сразу
О всех конкурсах наноолимпиады. Продолжается прием решений и консультации участников по всем конкурсам олимпиады. Ждем новых участников и желаем творческих успехов тем, кто уже начал решать задания наноолимпиады.

Солнечная энергетика и школьники
Молодые сотрудники, студенты и аспиранты МГУ готовят пополнение в области альтернативной энергетики, школьники Университетской Гимназии сами делают солнечные элементы...

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Графен и трение. Ловушки для дираковских фермионов. Заслон квантовым ошибкам. Нематическая квантово-холловская жидкость на поверхности висмута. Рост критической температуры при поверхностном электронном допировании Ba(Fe1.94Co0.06)2As2. Нанотехнологии создают “умный” текстиль. Разделение газовых смесей пористым фосфореном допировании. Линейный датчик на нелинейном эффекте. Фуллерен C720 как накопитель молекулярного водорода. Химическое эхо.

Андрей Свинаренко: учеба должна длиться всю жизнь
ТАСС
Интервью Генерального директора ФИОП А.Г.Свинаренко ТАСС.

Концепция Образовательного центра «Сириус», принципы отбора на смены
Ларин В.В.
Цикл лекций в рамках XI Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям для всех желающих – школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, учителей и преподавателей: Концепция Образовательного центра «Сириус», принципы отбора на смены. Владимир Владимирович Ларин, учитель физики, Лицей «Вторая школа» г. Москвы, методист первой проектной смены Образовательного центра «Сириус».

Молекулы, волосы, микросхемы, магнитные диски - как все это устроено? – сканирующий зондовый микроскоп поможет Вам это понять!
Быков В.А.
Цикл лекций в рамках XI Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям для всех желающих – школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых, учителей и преподавателей: В.А.Быков, д.т.н., профессор Московского Физико - Технического Института, генеральный директор группы компаний НТ-МДТ Spectrum Instruments, руководитель Нанотехнологического Общества России (НОР) "Молекулы, волосы, микросхемы, магнитные диски - как все это устроено? – сканирующий зондовый микроскоп поможет Вам это понять!"

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.