Молекулярный микрочип уже почти работает

Кольцо-макроцикл не связано с основной частью молекулы [2]-ротаксана химическими связями и может занимать два положения — «вкл.» и «выкл.» (рис. с сайта www.ucla.edu)

В Калифорнии создан прототип микросхемы памяти с плотностью записи около 100 гигабит на квадратный сантиметр — примерно в 40 раз выше, чем у производимых ныне аналогов. Носителями информации в ней служат молекулы органического соединения [2]-ротаксана, способные переключаться между двумя стабильными состояниями. Микросхема более чем на десятилетие опережает предсказания закона Мура, согласно которому такая степень миниатюризации запоминающих устройств может быть достигнута только к 2020 году.

Кремниевые интегральные микросхемы уже достаточно близко подошли к пределу своих возможностей как по минимальному размеру элементов (например, ячеек памяти), так и по количеству элементов в одном кристалле. Поэтому сейчас ведутся активные поиски материалов, которые могли бы послужить основой для значительно более компактной молекулярной электроники. В идеале, каждую молекулу такого вещества можно было бы использовать как отдельный переключатель, хранящий один бит информации.

Положительно заряженное макроциклическое соединение (изображено синим цветом) «сидит» на тетратиафульваленовом (TTF) фрагменте (зеленый) в зоне минимальной проводимости — эквивалент «нуля» логического электронного элемента. При окислении TTF этот фрагмент приобретает положительный заряд, кольцо макроцикла отталкивается и перемещается «вниз» к диоксинафталиновому фрагменту (красный). В этом состоянии проводимость молекулярного прибора максимальна — соответствует «единице» логического элемента (рис. с сайта pubs.rsc.org)

Одним из классов молекул, способных на это, стали [2]-ротаксаны, созданные исследовательской группой под руководством Джеймса Хита (James Heath) из Калифорнийского технологического института и Фрейзера Стоддарта (Fraser Stoddart), директора Института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Исследования уже вышли на стадию разработки технологий: в последнем номере журнала Nature опубликована статья о работающем чипе молекулярной памяти объемом 160 000 бит.

Ротаксаны (rotaxane) состоят из двух компонентов, химическая связь между которыми отсутствует. Первый компонент ротаксана — длинная гантелеобразная молекула, строение которой линейно, второй компонент — макроциклическое соединение, охватывающее тонкий стержневой фрагмент молекулярной гантели. При этом объемные заместители на концах гантели играют роль своеобразных заглушек и не дают макроциклу соскользнуть со стержня, оставляя для него возможность движения только вдоль оси молекулярной гантели. А то, что один из концов гантели гидрофильный, а второй гидрофобный, позволяет получать из ротоксанов одномолекулярные пленки, в которых все молекулы одинаково ориентированы.

[2]-ротаксан (two-state rotaxane), используемый калифорнийскими учеными, имеет в своей структуре положительно заряженное кольцо, которое может фиксироваться межмолекулярными взаимодействиями в двух различных позициях. Одна из этих позиций соответствует «нулю», а другая — «единице».

В обычном (закрытом, непроводящем) состоянии, соответствующем «нулю», кольцо связывается с тетратиафульваленовой группой. Окисление тетратиафульвалена приводит к появлению на фрагменте TTF положительного заряда (из-за отбора электронов), и положительно заряженное макроциклическое соединение отталкивается ко второй позиции, в которой проводимость ротаксана максимальна. Это состояние электронного прибора соответствует логической «единице».

Группа Хита и Стоддарта 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 × 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.

Правда, это всё-таки только прототип. Подвести к нанопроводам внешние контакты оказалось сложнее, чем создать сами провода (для чего была использована оригинальная технология гравирования), поэтому пока реально функционирует только небольшой участок микросхемы — 10 × 18 бит. Из-за ограничений нанотехнологии сработала всего половина протестированных битов, и только с половины из них удалось считать записанную информацию. Наконец, молекулы [2]-ротаксана пока выдерживают лишь несколько циклов записи, после чего «выходят из строя».

а. Молекулярный микрочип шириной 30 мкм в процессе изготовления. Нижний слой, состоящий из кремниевых нанопроводов, готов, и к нему подведены электроды (справа). Осталось положить слой молекул [2]-ротаксана и нанести сверху слой титановых нанопроводов, электроды для которого уже подготовлены (слева). b. Одна из стадий изготовления микрочипа: к кремниевым нанопроводам подведены электроды. Каждый из них имеет ширину около 70 нм и касается 2 или 3 нанопроводов шириной 15 нм каждый (изображение из дополнительных материалов к статье в Nature)

Калифорнийские ученые уверены, что все эти трудности будут преодолены, хотя и не берутся назвать конкретные сроки. В любом случае, уже можно утверждать, что поставлен новый рекорд плотности записи данных и продемонстрирована возможность создания молекулярных микросхем, пригодных для практического применения. Недаром одному из авторов исследования, Фрейзеру Стоддарту, за заслуги в области химии и нанотехнологии месяц назад английская королева пожаловала рыцарский титул (knight bachelor). Сэр Стоддарт пополнил список ученых-рыцарей наряду с нобелевскими лауреатами Александром Флемингом (Alexander Fleming), Александром Тоддом (Alexander Todd) и Харольдом Крото (Harold Kroto).

Источники:
1) Chemical computing creates world's densest data storage medium, RSC, 24.01.2007.
2) Philip Ball. A switch in Time (Pdf, 400 Кб) // Nature. 2007. V. 445, P. 362–363.
3) Jonathan E. Green, Jang Wook Choi, Akram Boukai, Yuri Bunimovich, Ezekiel Johnston-Halperin, Erica DeIonno, Yi Luo, Bonnie A. Sheriff, Ke Xu, Young Shik Shin, Hsian-Rong Tseng, J. Fraser Stoddart, James R. Heath. A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 10¹¹ bits per square centimeter (полный текст — Pdf, 900 Кб) // Nature. 2007. V. 445, P. 414–417.

Аркадий Курамшин

Последние новости: Нанотехнологии, Химия, Информационные технологии

22 ноября Расшифрована структура каталитического центра нитрогеназы — фермента, расщепляющего атмосферный азот

3 июня Можно ли вылечить дискалькулию?

15 февраля Сверхпроводимость уменьшает силу трения

25 января Ученые открыли, как архебактерии выживают на уксусе

17 января Наноструктурированные сверхгидрофобные поверхности помогут избежать обледенения

20 октября Исследован белок, помогающий расщеплению хитина

11 октября Нобелевская премия по физике — 2010

6 октября Найдена геометрия, в которой сила Казимира становится отталкивающей

10 сентября В химических системах с безразличным равновесием спонтанно возникает эволюция

7 сентября Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):