Молекулярные компьютеры

О перспективах развития молекулярных компьютеров рассказал на
конференции «Современные направления химии», посвященной 135летию Российского химического общества, академик РАН, директор
НИИ физической и органической химии Ростовского государствен­
ного университета В. И. Минкин. Эта конференция прошла в ноябре
2003 года в Менделеевском центре Санкт-Петербургского универ­
ситета при поддержке Глобального научного центра «Inno-Centive».
Глобальный научный центр «Inno-Centive» - единственная в мире
компания, которая дает возможность любому ученому проводить ис­
следования для ведущих фирм, не уезжая из своей страны. Для этого
центр использует интернет-технологию. На электронной странице
www.innocentive.com известные крупные компании публикуют научные
задачи, которые хотели бы решить, и объявляют размер премии, ко­
торую они готовы заплатить. Достаточно бесплатно зарегистрироват
на сайте - и можно начинать работать.
Доктор химических
наук
В.И.Минкин
Молекулярные
компыЬтеЬы .
О
молекулярных компьютерах
говорят давно. Как далеко
продвинулись ученые? Не ис­
чезли интерес к таким исследовани­
ям? Нет, не исчез, напротив, ими активно занимаются в Америке, в Гер­
мании, у нас в стране, и, несмотря
на то что перспектива создания се­
рийного компьютера на молекулах все
еще кажется достаточно отдаленной,
некоторые успехи есть. Более того,
ученые, работающие в этой области,
утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20-25 лет. А еще через 10-20 лет будет создано новое
поколение еще более эффективных
квантовых компьютеров и ДНК-ком­
пьютеров.
Что такое молекулярный компью­
тер? Это устройство, в котором вмес­
то кремниевых чипов, применяемых
в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамб­
ли. В основе новой технологической
эры лежат так называемые «интеллектуальные молекулы». Такие молекулы
(или молекулярные ансамбли) могут
существовать в двух термодинами­
чески устойчивых состояниях, каждое
из которых имеет свои физические и
химические свойства. Переводить
молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью
света, тепла, химических агентов,
электрического и магнитного поля
и т. д. Фактически такие переключа­
емые бистабильные молекулы —это
наноразмерная двухбитовая система,
воспроизводящая на молекулярном
уровне функцию классического тран­
зистора.
Особенно интересны такие превращения бистабильных молекул, после
которых сильно меняется электронная
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
\ г?. И'
± У
OFF
®
0—Ш
0A
ftv„
/
W*
Иииийн я nmwttnfrj f пг^гтдт ihiV'i
Бистабшьные молекулярные системы
ннпндоинй £»«■*£
™*»яш,
юткш
__*. г Л
\
S/ft
\
т
2
Кремниевый
^-,
/_}
\(
J4,
/*~\^+
[гЛ<*
транзистор
конфигурация. Например, после изо­
меризации в молекуле образуется
единая сопряженная электронная си­
стема, следовательно, появляется
способность проводить электричес­
кий ток. Могут меняться и другие
свойства: спектры поглощения сдви­
гаться в видимую область, возникать
нелинейные оптические свойства и,
что особенно ценно, флуоресценция
(рис. 1).
Интерес к созданию молекулярных
компьютеров не случаен. Производи­
тельность компьютера пропорцио­
нальна количеству транзисторов на
единице площади интегральной схе­
мы. На процессорном чипе современ­
ного компьютера расположено до ста
миллионов транзисторов, и намного
больше разместить уже вряд ли уда­
стся, поскольку доведенные до совершенства технологии их производства
достигли своего пика. Транзистор
(рис. 2) — это два электрода на крем­
ниевой подложке, ток между которы­
ми регулируется потенциалом, подаваемым на третий управляющий электрод—затвор. Критический элемент
кремниевого транзистора, из-за ко­
торого нельзя сделать его намного
меньше, —толщина изолирующего
слоя оксида кремния между затвором
и проводящим слоем. Современные
технологии уже позволяют сделать
его толщиной 0,13 микрон (130 нм),
что соответствует примерно 1/1000
толщины человеческого волоса. В
перспективе, лет через десять, может
быть, удастся достичь толщины 0,09
микрон. Несмотря на то что технологии производства изолирующего слоя
оксида кремния совершенствуются и
он становится тоньше, у него суще­
ствует физический предел — не бо­
лее 4 - 5 молекул (1,5-2 нм). В более
тонких слоях начинаются неконтроли­
руемые процессы туннелирования
электронов и перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычис­
лительной системы в целом. Более
того, существует предел стабильной
концентрации допантов в проводя­
щем слое, и само формирование ин­
тегральной схемы с меньшими раз­
мерами транзисторов невозможно на
базе стандартной техники фотолито­
графии. В силу квантовых законов
травление нельзя осуществить на
меньшем масштабе, чем длина полуволны света, а уже сейчас используют жесткое УФ-излучение,
Еще в 1959 году Ричард Фейнман
указал на то, что молекулы, облада­
ющие определенными свойствами,
смогут работать как переключатели и
заменить собой транзисторы («Химия
и жизнь», 2002, № 12), а технический
прогресс сделает возможным и ма-
13
Современные
компьютеры
Размер транзистора — до 100 nm
Транзисторов на 1 см2 - д о 107
Время отклика- < 10 9 с
Эффективность— 1
Молекулярные
компьютеры
Молекулярный
транзистор — 1-10
1013на 1 см2
До Ю-15 с
Эффективность- 10"
3
W+I1W
нипуляции с отдельными атомами и
молекулами. Это предсказание начи­
нает сбываться. Размеры будущего
молекулярного транзистора будут на
два порядка меньше самых мини­
атюрных кремниевых. Поскольку, как
мы уже говорили, производитель­
ность компьютера пропорциональна
количеству транзисторов, размещае­
мых на единице площади, то выигрыш
в производительности будет огром­
ным. Так, если уменьшить размер
транзистора до молекулярных разме­
ров (примерно до одного нанометра),
то на единице площади интегральной
схемы поместится в миллион раз
больше транзисторов (рис. 3). Если
еще вдобавок к этому время отклика
уменьшится до фемтосекунд (на
шесть порядков) — а именно таково
характеристическое время протека­
ния элементарной стадии химической
реакции, —то эффективность моле­
кулярного компьютера может оказать­
ся в 100 миллиардов раз выше, чем
современного кремниевого.
Архитектура каждого компьютера
включает три основных элемента: пе­
реключатели, память, соединяющие
провода. Все элементы в молекуляр­
ных компьютерах будут отличаться от
их аналогов в нынешних вычислитель4
Молекулярный
переключатель.
Переключение происходит
при воздействии электрического
поля (+2 В ; -2 В),
а считывание — измерением
сопротивления (0,1 В)
/
rt
t#l
_Q-
й
1*0*1
5
Механизм трехмерной (3D) молекулярной
ных устройствах. Бистабильные мо­
лекулы — переключатели будут управ­
ляться световыми и электрическими
импульсами или электрохимическими
реакциями. Память может работать на
принципе «запоминания» оптических
или магнитных эффектов, а провод­
никами могут стать нанотрубки или
сопряженные полимеры. Сейчас уже
созданы многочисленные варианты
всех основных составляющих компь­
ютера будущего. Рассмотрим их по
отдельности.
Наиболее эффективные молекуляр­
ные переключатели основаны на фотохромных соединениях, которые изомеризуются при переходе в высшие
возбужденные электронные состоя­
ния. Это может быть процесс цистранс-изомеризации,перициклических превращений, фотопереноса про­
тона. После переключения кардиналь­
но перестраивается электронная кон­
фигурация системы (рис. 1), а ее гео­
метрия остается практически пре­
жней. Перспективны также топологи­
ческие изомеры супрамолекул —на­
пример, переключатель, описанный
Д.Ф.Стоддардом и Д.Хисом, которые
сотрудничают с фирмой «Хьюлетт
Паккард» (рис. 4). Монослой моле­
кул катенана помещают между метал­
лическим и кремниевым электрода­
ми. После электрохимического окис­
ления супрамолекулы на одной из ее
частей появляется дополнительный
положительный заряд. Поскольку в
исходной форме эта часть соседству­
ет с одноименным зарядом, то после
окисления плюсы отталкиваются и
молекула перегруппировывается. Об­
разуется вторая стабильная форма,
и меняется электрическое сопротив­
ление. Главное достоинство такого
переключателя — его исключительно
высокая устойчивость. Цикл окисле­
ния-восстановления катенана можно
совершать 10—20 тысяч раз без за­
метного разрушения супрамолекулярной системы.
Переходим к памяти. В настоящее
время применяют магнитные и опти­
ческие носители памяти, которые ос­
памяти
нованы на принципе двумерной за­
писи, и это ограничивает объемы за­
писываемой информации. Стандарт­
ный диск CD-ROM диаметром 12 см
может содержать примерно 0,5 гига­
байт С 4-Ю 9 бит) данных. Теорети­
ческая плотность оптической записи
информации обратно пропорциональ­
на квадрату длины волны используе­
мого для записи света, поэтому пре­
дел возможностей однослойного ком­
пакт-диска равен 3,5-108 бит/см 2 (для
света с длиной волны 532 нм).
Память молекулярного компьютера
будет основана на тех же принципах,
что и переключатели, в ее основе —
бистабильные молекулярные структу­
ры и их превращения. Конечно, для
различных типов памяти потребуют­
ся различные характеристики этих пре­
вращений, а чтобы обеспечить долгое
хранение записанной информации,
будут нужны системы с большим вре­
менем жизни изомера Y (рис. 1). Уче­
ные предполагают, что в молекуляр­
ных компьютерах можно будет запи­
сывать оптическую информацию не
только на поверхности активной сре­
ды, как это делается в настоящее
время, а в полном объеме —то есть
память станет трехмерной.Если ис­
пользовать для записи весь объем
образца, то плотность записи на трех­
мерном носителе с тем же источни­
ком света будет уже 6,5-1012 бит/см 3 ,
на четыре порядка больше. Если же
применять более жесткое излучение,
то объем записываемой информации
увеличивается еще на порядок.
Чтобы записать информацию в
объеме образца или, по крайней
мере, на нескольких его слоях, нужна
новая система записи. Для этого ис­
пользуют метод двухфотонного погло­
щения. Суть метода в том, что необ­
ходимая для записи энергия (hv) до­
ставляется двумя фокусируемыми в
нужной точке лазерными пучками с
частотами v, n v „ подобранными так,
чтобы hv = hv, + hv2 (рис. 5). Впер­
вые принципиальную возможность
такой схемы показал П. Рентцепис
(Калифорнийский университет) в кон-
6
3- и 2-индолилфульгиды
для трехмерной
оптической памяти
8
Еще один вариант молекулярной
памяти — «электронная присоска».
Сандвич из 1000 молекул
поместили между
золотыми электродами
7
Диарилэтены
для трехмерной
оптической памяти
ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУК
це 80-х годов XX века. Он использо­
вал для этого, в частности, фотохромную спиропирановую систему. Погло­
тив два фотона, молекула А перегруп­
пируется в окрашенную мероцианиновую форму В. Считывание записан­
ной таким образом информации
происходит при регистрации флуо­
ресценции молекулы В, также возбуж­
даемой двухбайтовым переходом.
Флуоресценция - не единственный,
но в силу особенно высокой чувстви­
тельности наиболее привлекательный
метод считывания записанной инфор­
мации.
К числу лучших фотохромных сис­
тем принадлежат фульгиды индольного ряда. Впервые их получили в
нашем институте, но в настоящее
время активно изучают и в других
исследовательских центрах. Недавно
американская компания «Constellation3D»
(http://www.3dnews.ru/reviews/storage/
fmd-rom), начинавшая свою деятель­
ность в России,объявила о создании
первого трехмерного(многослойно­
го) флуоресцентного диска FMDROM, материалом для которого слу­
жат 2-индолилфульгиды и 3-индолилфульгиды (рис. 6). По утверждению
фирмы, первые готовые к выпуску об­
разцы вмещают на десяти слоях 12сантиметрового диска до 140 гига­
байт (5—7 Гб на диске размером с
кредитную карту), причем компания
располагает технологией,позволяю­
щей в десять раз увеличить число
слоев и, соответственно плотность
записываемой информации.
Очень интенсивные исследования
по созданию органической трехмер­
ной памяти ведутся в Японии под ру­
ководством М. Ирие. В качестве
объекта выбраны другие молекулы диарилэтены (рис. 7), но принцип их
работы тот же, что и у фульгидной
системы. М. Ирие —куратор совмес­
тного проекта Международного науч­
но-технологического центра (МНТЦ),
в котором также участвуют Институт
Органической химии им. Н. Д. Зелин­
ского РАН, Фотохимический центр
РАН и НИИ физической и органичес­
кой химии Ростовского государствен­
ного университета.
Другой перспективный подход к
созданию молекулярной памяти про­
демонстрировали недавно М. Рид
(Йельский университет) и Д. Тур (ком­
пания «Хьюлетт Паккард»). Они сде­
лали сандвич примерно из 1000 мо­
лекул ароматического дитиола и по­
местили его между золотыми элект­
родами (рис. 8). При определенном
напряжении, поданном на электроды,
этот сандвич удерживает электроны
(то есть хранит данное состояние в
памяти) в течение примерно 10 ми­
нут (стандартная кремниевая динами­
ческая память DRAM удерживает все­
го на миллисекунды). При напряже-
fif"™" Ж^"'
о
^'чмео,
Молекулярные
j^T""
^ЧктЧл,
провода
нии 5В ученым удалось поддерживать
ток в 0,2 микроампера, что соответ­
ствует потоку 1012 электронов в се­
кунду. Это намного больше того, что
они ожидали после теоретических
расчетов. Интересно, что электроны
проходят через молекулу без рассе­
яния тепла. Авторы исследования ду­
мают, что их «электронная присоска»,
как они ее назвали, может служить
прототипом нового поколения дина­
мической памяти.
Наконец, третий компонент молеку­
лярных компьютеров - проводники,
обеспечивающие сообщение между
молекулярными транзисторами и мо­
лекулярными устройствами памяти.
Дизайн проводников, также имеющих
наноскопические размеры, ученые ве­
дут по трем основным направлениям.
Первое —это проводящие полимеры:
допированный полиацетилен (Нобе­
левская премия 2000 года), политиофен, полианилин и др. Второе —раз­
личные органические проводники,
которые обладают достаточно высо­
кой проводимостью, до 10 2 -10 3 с/м.
Все они представляют собой длинные
j$~**m
5IC",I
^ып,™*
*-*чл
15
10
Транзистор на одной
молекуле.
Бакибол (60 am.
углерода) удерживается
между электродами
электрическими силами.
Как только электрон
\запрыгивает внутрь
бакибола, происходит
смещение электрических
сил и молекула смещается
к одному из электродов и
сопротивление меняется.
Электрон выпрыгивает бакибол смещается
в исходное положение
сопряженные молекулы, в которых
электрон переносится по цепиp-связей (рис. 9). Если к концам такой
сопряженной цепи присоединить металлсодержащие группы, то окисле­
ние или восстановление одной из них
обеспечит достаточную проводи­
мость по всей цепи. Комбинируя допированные (проводящие) и недопированные (со свойствами изоляторов
или полупроводников) участки по­
лимеров, можно получать электрические контуры с нужными свойствами.
Особые надежды возлагаются на
третий тип проводников — нанотрубки. Это великолепный материал для
молекулярной электроники. Нанотрубки с однослойными или много­
слойными стенками получаются при
прохождении электрического разря­
да между двумя графитовыми элект-
11
Гибридное устройство: молекулярный проводник и золотые электроды
родами. Длина одностенных нанотрубок может достигать микрометров
(диаметр около 1 нм), причем на отрезках по 150 нм сохраняются метал­
лические свойства. Углеродные или
боразотные нанотрубки можно запол­
нять металлами и получать таким об­
разом одномерные проводники, со­
стоящие из цепочек атомов металлов.
С одностенными нанотрубками уда­
ется сделать еще более интересные
вещи. При помощи атомно-силового
микроскопа, скручивая однослойную
нанотрубку, удалось получить участ­
ки, на которых сопротивление дости­
гает 50 килоОм, в результате чего
образуется барьер для движения
электрона. При определенном напря­
жении можно переключать состояния
одностенной нанотрубки: «проводи­
мое»—«непроводимое», перемещая
12
Молекулярный фотонный транзистор
13
Квантовые компьютеры.
Квантовый бит это спин электрона или ядра
16
один-единственный электрон. Факти­
чески это прототип транзистора на
одном электроне. Существует также
прототип транзистора на одной мо­
лекуле, который изучают в Корнельском и Гарвардском университетах
(рис. 10).
Молекулярные транзисторы, память
и проводники —три составные части
будущего молекулярного компьютера,
и в их создании по отдельности, как
мы видим, есть значительные успе­
хи. Но самая сложная задача — со­
брать все компоненты в работающее
устройство. До ее решения еще да­
леко. Однако путь, по которому надо
идти, вполне ясен: это принцип мо­
лекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агре­
гатов молекул. Этот же принцип ле­
жит в основе происхождения жизни,
и именно его использует природа для
создания таких сложных структур, как
двойная спираль ДНК, жидкие мемб­
раны и глобулярные протеины. Пока
эта задача не решена, ученые предполагают делать гибридные устрой­
ства, сочетающие достоинства моле­
кулярного подхода с наиболее успеш­
ными технологическими вариантами,
найденными для кремниевых техно­
логий. Гибридные устройства можно
сделать, например, используя повы­
шенное сродство атомов серы в органических молекулах к тяжелым метал­
лам (рис. 11), особенно золоту. Так
создаются контакты между металли­
ческими электродами и молекулярны­
ми проводниками.
Мысль ученых идет дальше. До сих
пор мы рассматривали примеры, когда все функции компонентов компьютера обеспечиваются передвижени­
ем электронов в сложных молекуляр­
ных ансамблях. Между тем эти функции могут взять на себя и фотоны.
Уже предложены различные вариан­
ты фотонных устройств, например
молекулярный фотонный транзистор
(рис. 12). В фотонном транзисторе
фрагмент молекулы, поглощающий
квант света (дипиррилбородифторид), играет роль стокового электро­
да, следующая молекула (цинковый
порфирин) — проводника, а после­
дний излучающий порфириновый
фрагмент молекулы соответствует
электроду истока. Магниевый порфи­
рин работает как управляющий электрод — затвор. Если окислить этот
затвор, то после поглощения света
перенос энергии происходит не на
цинковый порфирин, а на неизлучающий магниевый. В компьютерах на
подобных транзисторах, регулирование всей его работы будет происхо­
дить с помощью света.
Вот в общих чертах то, что ждет нас
в ближайшем будущем. Ученые счи­
тают, что молекулярные компьютеры
будут созданы к 2020-2030 году. Это
не значит, что существующее поко­
ление кремниевых компьютеров пол­
ностью и сразу отомрет, просто ря­
дом с ним появится более мощная
генерация. А что потом? Спинтроника и компьютеры на квантовых точ­
ках, ДНК-компьютеры.
Квантовый компьютер —это компьютер, в котором в качестве битов выступают квантовые объекты, например
спины электронов или ядер. Такой ком­
пьютер станет еще одним шагом впе­
ред по сравнению с молекулярным. В
квантовом компьютере вместо значе­
ний «0» или «1», как у классического
бита, у нас будет квантовый бит (кубит). Кубит может принимать несколько различных значений — нормирован­
ных комбинаций двух основных состо­
яний спина, что дает большое число
сочетаний (рис. 13). Так, 32 кубита
могут образовать около 4 миллиар-
15
Нейроны-улитки
на кремниевом чипе
дов состояний, а при наборе из 300
кубитов квантовый компьютер в прин­
ципе способен найти 2300 возможных
решений —это число примерно равно
числу всех элементарных частиц во
Вселенной. Уже разработаны алгоритмы для квантовых компьютеров, при­
чем значительный вклад в эту работу
внесен отечественными учеными.
В том случае, когда роль кубитов
выполняют спины ядер, связанные
спин-спиновыми взаимодействиями, в
качестве квантового компьютера можно использовать спектрометр ЯМР.
Тогда при помощи различных импульсных последовательностей можно задать любые соотношения между кубитами. Недавно группа Д. Оушелома
(Калифорнийский университет) сооб­
щила о том, что им удалось с помо­
щью комбинации импульсов трех лазеров перемещать сигнал между
квантовыми кубитами. Передача сигнала занимала около ста фемтосекунд (1 фс = 10–15 с). Фирма «Хьюлетт Паккард» изучает возможности
7-кубитового квантового компьютера,
созданного на металлоорганической
молекуле с семью гетероядерными
спинами (рис. 14). Более отдаленная
мечта — квантовые компьютеры на
квантовых точках (о них «Химия и
жизнь» собирается написать в бли­
жайшем времени).
Наконец, немного о ДНК-компью­
тинге («Химия и жизнь», 2000, № 6).
Л. Эйдлман (Университет Южной Калифорнии), возможно, одним из пер­
вых в 1994 году обратил внимание на
поистине гигантскую информацион­
ную мощность ДНК. Если обычный
компьютер манипулирует сочетания­
ми значений «0» и «1» , то в ДНК име­
ются четыре базовых состояния (А, Г,
Т, Ц), соответственно многократно возрастает число сочетаний. Информаци­
онный потенциал ДНК-компьютеров—
1021 бит/грамм, то есть один 1 бит/нм3,
тогда как современный компьютер дает
нам 1 бит на1012м3. ДНК-компьютер
способен рассчитывать 1019 операций
в секунду, а последний суперскоростной компьютер обеспечивает не более
1013 операций в секунду. Конечно, ДНКкомпьютеры не будут использовать для
стандартной повседневной работы, но
их возможности позволяют уже сейчас
решать ряд сложных задач.
Нельзя не сказать и о еще одном
направлении научного поиска. В Германии, в Институте Макса Планка, срастили неорганический кремниевый чип
с нейронами улитки (рис. 15). Самое
главное, что нейроны ответили на им­
пульс, изначально поданный на крем­
ниевую пластину, и наоборот. Уникальное сочетание химии, биологии и фи­
зики в полной гармонии!
Свой небольшой обзор того состоя­
ния, в котором сейчас находятся ин­
формационные технологии, мне хоте­
лось бы закончить словами У.Черчил­
ля, которые он произнес,конечно, не
о молекулярных компьютерах, а о пе­
реломе в военных действиях во Вто­
рой мировой войне: «Это еще не ко­
нец, это даже не начало конца. Но
возможно это — конец начала».
17