Wat is een Moleculaire Schakelaar?

Door Zal Soutter

Besproken Onderwerpen

Inleiding
    Miniaturisatie van Elektronika
    De „Bottom-Up“ Benadering
Moleculaire Schakelaars
Types van Moleculaire Schakelaar
    De Schakelaars van de Ether van de Kroon
    Rotaxanes
    Fotochromische Schakelaars
    De Schakelaars van Nanoparticle
Huidige Staat van het Moleculaire Onderzoek van de Schakelaar
Verwijzingen

Inleiding

Miniaturisatie van Elektronika

Één van de belangrijkste bestuurders voor nanotechnologieonderzoek moet manieren aan het licht brengen om nanoscale elektronische kringen en componenten te veroorzaken. De gegevens verwerkende industrie eist steeds kleiner, sneller, en efficiëntere bewerkers, en wij beginnen te ontmoeten grenzen aan enkel hoe de noodzakelijke componenten kunnen klein worden gemaakt.

De belangrijkste fabrikanten van microprocessors denken om de grenzen van de uitvoerbare resolutie vrij spoedig te bereiken over siliciumchepen - 14 zouden de NM- resoluties commercieel in 2014 moeten zijn, en voorbij dat punt zullen de siliciumwafeltjes onbruikbare toe te schrijven aan quantum het een tunnel graven gevolgen worden.

blijven de tendens van dalende eigenschapgrootte in bewerkers, en in elektronika voortzetten over het algemeen (gekend als Wet van Moore), zijn de technologiebedrijven altijd enthousiast om nieuwe manieren te vinden om elektronische componenten bij nanoscale te vervaardigen.

De „Bottom-Up“ Benadering

Één methodologie die is toegepast op nanoelectronicsonderzoek is de „bottom-up“ benadering. In wezen, dit het geïmpliceerde proberen om de fundamentele componenten zo klein mogelijk te assembleren om te zijn van individuele atomen en molecules, eerder dan het proberen om materialen en productiemethodes aan steeds kleinere apparaten aan te passen.

Moleculaire Schakelaars

Één van deze moleculaire apparaten, waarvoor significante vooruitgang de laatste jaren is geboekt, is de moleculaire schakelaar. Hoewel een zeer eenvoudig apparaat, zou een geschikte moleculaire schakelaar de basis voor ingewikkeldere moleculaire machines kunnen zijn.

Een moleculaire schakelaar bestaat gewoonlijk uit één enkele molecule die controllably tussen twee stabiele staten kan verschuiven. De trekker die aan schakelaar tussen de staten wordt gebruikt kan een elektrostroom, een verandering in temperatuur of chemisch milieu, of zelfs licht zijn.

Types van Moleculaire Schakelaar

In de laatste jaren, hebben vele onderzoeksteams helemaal over de wereld molecules geproduceerd die tussen stabiele staten, met een horde structuren en mechanismen kunnen worden geschakeld. Hier zijn enkelen van de gemeenschappelijkste structuren deze moleculaire schakelaars waarrond zijn gebaseerd.

De Schakelaars van de Ether van de Kroon

De ethers van de Kroon zijn cyclische organische samenstellingen die zeer sterk aan positieve ionen kunnen binden. Hun flexibele structuur maakte tot hen het doel voor enkele vroegste onderzoek naar verwisselbare molecules.

De Meeste schakelaars van de kroonether werken door een trekker, zoals licht of een pH verandering te gebruiken, om de bouw van de cyclische ring te veranderen. De drastische verandering in affiniteit voor bepaalde ionen die dit kan veroorzaken kan als stapverandering in de ionenstroom over de steekproef worden gemeten.

Rotaxanes

Een rotaxane is een grote molecule met een „draad en parel“ structuur. Een lange, lineaire ketting wordt opgenomen door een macrocyclic ring zodat de ring vrij langs de lengte van de ketting kan glijden, en de omvangrijke eind-groepen verhinderen de ring weg te glijden. In de normale omstandigheden, zal de ringsstructuur op een ongewijzigde rotaxane pendel achteruit en langs de ketting bij een thermaal gecontroleerde snelheid door:sturen.

Rotaxanes bestaat uit een moleculaire ring die op een lange ketting wordt opgesloten. De structuur kan als nanoscaleschakelaar worden gebruikt door de ring tussen bandplaatsen te bewegen. Het krediet van het Beeld: De Moleculaire Gieterij van het Laboratorium van Berkely

Een rotaxane kan eenvoudig worden gewijzigd om het omschakelingsfunctionaliteit te geven. Het Toevoegen van twee functionele groepen binnen de ketting die een affiniteit voor de ring hebben leidt tot stabiele posities de ring waartussen schakelt.

Als één van deze functionele plaatsen sterker aan de ring dan andere bindt, zal de ring bij voorkeur in die positie zitten. De plaats kan ook worden ontworpen zodat een eenvoudige trekker, zoals een pH verandering, of een elektrostroom, het zal desactiveren, die de ringsverschuiving naar de andere plaats maakt. Dit systeem werkt als eenvoudige twee positieschakelaar.

Terwijl het perspectief op een functionele schakelaar die uit slechts een paar dozijn atomen wordt samengesteld verleidend kan schijnen, in het bijzonder met betrekking tot nanoelectronics, zijn er vele grenzen aan het nut van een rotaxane-gebaseerd systeem:

  • De snelheid van de Omschakeling op de orde van kHz, in vergelijking met de omschakeling van Mhz beschikbaar bij bestaande siliciumapparaten
  • De Beperkte stabiliteit over lange periodes betekent beperkte toepasselijkheid aan gegevensopslag
  • De de opslagdichtheid van Gegevens beperkte, ondanks kleine grootte of individuele schakelaars, aangezien rotaxanes van elkaar moet worden geïsoleerd om interactie te vermijden die tot gegevenscorruptie kunnen leiden

Fotochromische Schakelaars

Een fotochromische schakelaar is een molecule die optisch tussen twee isomeren (verschillende structurele vormen die uit de zelfde atomen worden samengesteld) met meetbaar verschillende optische eigenschappen kan worden geschakeld.

Het Gestemde laserlicht kan dan worden gebruikt om de molecule van één isomeer aan andere, en het veranderde bezit, zoals absorptiegolflengte, luminescentie, of optische omwenteling selectief om te zetten.

Terwijl er een grote waaier van fotochromische beschikbare samenstellingen is, moeten hun eigenschappen worden geselecteerd zorgvuldig om goede prestaties als schakelaars te verzekeren. De volgende criteria zijn belangrijk:

  • Ontbreken van thermische isomerisatie
  • Significante verschillen in eigenschappen tussen isomeren
  • Goede stabiliteit op lange termijn, hetzij snel geschakeld of verlaten in één staat

In 2011, creeerden de onderzoekers in Technische Universität (TUM) München een enig-moleculeschakelaar van een porphyrin ring. De molecule heeft vier afzonderlijke staten, die met één enkel elektron van een aftasten een tunnel gravende microscoop kunnen worden geschakeld.

Met een oppervlakte van enkel één nanometer, is deze schakelaar één van ooit uitgevoerd het kleinst. Om grotere schaalgebruik van dit soort schakelaar praktisch te maken, wordt meer onderzoek vereist naar gemakkelijkere omschakeling, en naar het stabiliseren van de individuele staten bij hogere temperaturen.

De Schakelaars van Nanoparticle

Nanoparticles van sommige specifieke materialen is gevonden om verwisselbare optische eigenschappen tentoon te stellen. Dit is gewoonlijk toe te schrijven aan een structurele faseovergang die in een meetbare verandering in eigenschappen resulteert, en kan optisch worden teweeggebracht.

Bijvoorbeeld, toonde het onderzoek dat in 2005 wordt gepubliceerd een film van bistabiel gallium aan nanoparticles. De Opwinding van nanparticles met een laser van de ononderbroken golfpomp wekt het deeltje in een verschillende structurele fase op. Deze hoog-energiefase heeft een veel hoger reflectievermogen dan de beginfase, die ongecompliceerde bepaling van de staat gebruikend een tweede sondelaser toestaat.

Het interessante ding over dit bepaalde systeem is dat de hoog-energiefase zeer stabiel is - nanoparticles moeten onderkoeld zijn om hen ertoe te brengen om op de grondstaat terug te komen. Dit toont groot potentieel voor geheugentoepassingen aan - het optische geheugen dat op bistabiele nanoparticles wordt gebaseerd kon tot high-density, de gegevensopslaggelegenheden leiden van lange duur.

Huidige Staat van het Moleculaire Onderzoek van de Schakelaar

Het Recente onderzoek heeft een verscheidenheid van enig-moleculeschakelaars veroorzaakt. De meerderheid van deze heeft uit de mogelijkheden van de moderne microscopen van de aftastensonde voordeel gehaald (SPMs), gebruikend het sondeuiteinde om de staten van verwisselbare molecules te manipuleren.

Nanostructures van de Koolstof zoals graphene en koolstof nanotubes zijn ook overwegend op dit gebied. Een schakelaar die op een draaibare molecule ingebed in een koolstof wordt gebaseerd nanotube, die stroom om in één richtlijn toestaat over te gaan en het in een andere blokkeert, werd bewezen theoretisch haalbaar door een team bij het Nationale Laboratorium van Oak Ridge. Graphene is zelfs gebruikt om basiskringen te assembleren die van transistors worden gemaakt, en snelle vooruitgang wordt geboekt in de vervaardiging van graphene-gebaseerde elektronika.

Terwijl dit ons toestaat om ons begrip van het best te verhogen hoe om verwisselbare molecules te behandelen, in een bepaald stadiud zal de nadruk van ontwikkeling naar praktische implementaties van verwisselbare molecules moeten verschuiven die in nanoelectronics, nanoprocessors en high-density gegevensopslag zouden kunnen worden gebruikt.

Klik hier voor meer van AZoNano op moleculaire schakelaars.

Verwijzingen

Date Added: Jul 9, 2012

Last Update: 9. July 2012 22:10

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit