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

 

Мороженое
Мороженое

Международная онлайн-дискуссия «Квант будущего»
Фонд Росконгресс, Госкорпорация «Росатом», Российский квантовый центр и научно-популярное издание N+1 завершают серию международных онлайн-дискуссий «Квант будущего», где лидеры индустрии и ведущие мировые ученые обсуждают, как квантовые технологии уже изменили наш мир, и с какими вызовами помогут справиться в будущем.
Заключительная дискуссия «Квантовая революция: профессии будущего и трансформация образования» состоится 8 июля в 17:00 по московскому времени.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Супергибридный материал для хранения водорода. Двумерная соль. Существование виртуальных мультиферроиков подтверждено. Чёрные бабочки. Служение науке и немного поэзии.

Конкурс микрофотографий ZEISS Perspectives
Приглашаем специалистов, работающих с микроскопами ZEISS, Bruker, WITec принять участие в конкурсе микрофотографий ZEISS Russia&CIS «Перспективы».

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2020
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 16, 17, 18 и 19 июня 2020 г.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2020 году
коллектив авторов
2 - 5 июня пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
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.