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

 

Ежик в тумане
Ежик в тумане

Конкурс СЗМ-изображений 2017 от компании НТ-МДТ Спектрум Инструментс
Примите участие в конкурсе, поделитесь своими результатами с мировым СЗМ-сообществом и получите ценные призы!

Лауреатом премии Rusnanoprize 2017 стал создатель высокоэффективных солнечных ячеек Михаэль Гретцель
Обладателем международной премии в области нанотехнологий Rusnanoprize 2017 за разработки в области наноматериалов и модификации поверхностей стал швейцарский учёный Михаэль Гретцель. Торжественная церемония награждения лауреата состоялась на Форуме «Открытые инновации».

Школа на ладони: у нас есть из чего строить будущее!
В начале октября 2017 года стартовала XI осенняя сессия конкурсной образовательной программы для школьников «Школа на ладони»

Вспомнить все (total recall). Часть 3. Методы исследований в нанотехнологиях (практика)
Коллектив авторов
В третьей части рассматриваются экспериментально - практические материалы, связанные с методами анализа продуктов нанотехнологий, в том числе стандартные аналитические, физико – химические и структурные методы анализа. Участники могут изучать отдельно данный курс или комбинировать его с двумя предыдущими.

Вспомнить все (total recall). Часть 2. Решение задач и проектная работа (образование и самоподготовка)
Коллектив авторов
Во второй части рассматриваются обзорные материалы материалы по нанотехнологическому образованию и проектной деятельности (Раздел А), текстовый и иллюстративный материал по образовательным и социальным аспектам с сфере нанотехнологий (Раздел Б), а также самый важный раздел для подготовки к Олимпиадам данной серии, содержащий сборники заданий и решений за 10 олимпиадных лет (Раздел В).

Вспомнить все (total recall). Часть 1. Наноматериалы и нанотехнологии (теоретические аспекты)
Коллектив авторов
В первой части рассматриваются теоретические материалы, сгруппированные по важнейшим темам (Раздел А), уровню сложности (Раздел Б), для свободного чтения по основным группам рубрикатора РОСНАНО (Раздел В), а также для прохождения викторин самоконтроля (Раздел Г).

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

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.



 
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.