Анатолий Абинов - Человек или машина?
Причем электроника живой клетки имеет молекулярный уровень. То есть своеобразным триггером может быть всего лишь одна молекула… Но ведь и Дж. Баркер предлагает создавать электронные приборы на атомно-молекулярном уровне! Нельзя ли объединить одно с другим?.. Несколько групп исследователей ведут в настоящее время работы на неисследованной территории.
Так, например, группа специалистов лаборатории физики твердого тела в Орсе (Франция), работающая под руководством Д. Жерома, интересуется сразу двумя видами материалов — проводящими полимерами и мономолекулярными кристаллами. Почему именно ими?
Мы привыкли к четкому разделению органического и неорганического миров. Трудно пока представить себе, что органические молекулы, можно использовать для создания транзисторов. Однако ныне дела обстоят именно так. Более того, некоторые из органических веществ могут обладать даже свойствами сверхпроводимости!
Идея о сверхпроводимости в органических молекулах была высказана около четверти века назад американским ученым Б. Литтлом. Пять лет спустя в лаборатории Института химической физики АН СССР группа И. Щеголева получила класс органических веществ, способных хорошо проводить электрический ток при комнатной температуре. Основу этих проводящих молекулярных кристаллов составляли колонки из плоских органических молекул.
После еще нескольких лет напряженной работы в советских, американских и французских лабораториях были получены соединения, которые оставались проводящими при самых низких температурах, вплоть до 0,1 К. Таким образом была подготовлена почва для создания сверхпроводящих соединений, которые, как полагали в то время, могут существовать лишь при сверхнизких температурах.
И действительно в 1980 году датскому химику К. Бернгарду удалось использовать плоскую органическую молекулу тетраметил-тетраселенфульвалена для синтеза соединений, в которых молекулы переходят в сверхпроводящее состояние при температуре около 1,5 К.
Не меньшие достижения получены и в области органических проводящих полимеров. Несколько лет назад американский физик А. Хигер продемонстрировал вентилятор, работавший от аккумулятора, пластины и рабочее вещество которого состояли только из органических веществ. Какие же преимущества могут оказаться решающими при выборе между органикой и неорганикой? Их много. Органика, как вы уже поняли, открывает дальнейшие пути развития микроминиатюризации электронных устройств вплоть до молекулярного уровня. Органика состоит из весьма распространенных в природе веществ. И наконец, органические молекулы обладают значительным разнообразием, способны к плавной перестройке, что может привести к созданию веществ с точным, заранее известным набором необходимых свойств.
— Эти преимущества уже были «взяты на вооружение» природой в процессе возникновения живых организмов, и нет причин сомневаться в том, что они могут быть использованы и при синтезе систем с нужными нам сверхпроводящими или полупроводниковыми свойствами, — считает доктор физико-математических наук Л. Булаевский.
Отсюда, кстати, вытекает и еще одна особенность органической электроники. В одном из опытов подложку из кремниевого кристалла попытались заменить на протеиновую. Этот белок хорош не только тем, что вырабатывает электрические сигналы. Он является также родственным материалом многих клеток человеческого тела. А это значит, что протеиновые микрочипы можно будет имплантировать в человеческий организм!
Правда, как говорят скептики, у органической микроэлектроники проявляется очевидный недостаток: сложные органические молекулы, как правило, нестабильны, быстро распадаются. А значит, и основанные на них биологические микрокомпьютеры вряд ли будут очень долговечными. Однако мы знаем, как природа обошла эту трудность — она создала самовоспроизводящиеся системы. Именно к этому и стремятся специалисты в настоящее время.
За электроникой — биотика
В основе технологии современных полупроводниковых элементов лежит сочетание двух видов обработки этих материалов: введение примеси, так называемого я-типа, способной отдавать электрон, и примеси p-типа, способной электрон принимать. Обычно такие примеси вводят в германиевый или кремниевый кристалл. Однако последние исследования в области органической химии показывают, как мы только что убедились, что. это не единственные кандидаты для создания полупроводниковых элементов или чипов.
В присутствии паров йода полиацетилен тоже может получать свойства проводимости p-типа. Йод, проникая в структуру полимера, внедряется в нее и «ждет» появления электрона. То есть ведет себя точно так же, как, например, бор или галлий в кристаллической решетке кремния. А для того чтобы ввести в полиацетилен примесь я-типа, можно использовать литий, натрий или калий.
Органический полупроводниковый материал уже изготавливается в массовых количествах и стоит не дороже обычной клеенки. А значит, вполне серьезно можно подумать и об использовании его в электронике. Первое возможное применение — создание фотоэлементов;-для этого достаточно совместить один слой n-типа и два слоя p-типа.
Правда, такие структуры получаются еще не очень стабильными, а значит, органические полупроводники не будут работать долго. Однако пока это ведь только начало. И начало, надо сказать, многообещающее. Скажем, уже в настоящее время удалось найти такие примеси, которые могут как отдавать, так и принимать электроны и оставаться при этом достаточно стабильными. На их основе уже созданы первые электробатареи, которые показали не только достаточную долговечность, но и оказались почти в 10 раз легче обычных.
Созданы также биочипы, в которых используется способность молекул ряда органических веществ выпрямлять электрический ток. В частности, установлено, что молекулы хинонов могут иметь два электрических состояния, отличающиеся распределением электрических зарядов и зависящих от них водородных связей. Таким образом, путем воздействия на хиноны электрическим током можно записывать логические нули и единицы. Причем, в отличие от обычных чипов, органическому соединению не требуется постоянный ввод команд V-он выполняет заданные функции при общем программировании.
Таким образом, уже сегодня начинают прорисовываться принципиальные возможности новой отрасли науки — биотики, которая, возможно, в следующем веке придет на смену всем нам хорошо известной электронике. Ведь уже сегодня есть биологические микроустройства, способные выполнять функции датчиков, процессоров, исполнительных механизмов. Родились новые разделы биофизики, которые изучают самоорганизацию биопроцессов. И если раньше исследователи шли в основном по пути воспроизведения в технике принципов, используемых в живых системах, то в настоящее время уже созданы гибридные системы и предпринимаются попытки, скажем, создать компьютер с процессорами, использующими элементы нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками и исполнительными устройствами, в основе которых лежат молекулярные механизмы мышечного сокращения.
— Интерес к биологическим микроустройствам в мире не случаен, — считает член-корреспондент АН СССР Г. Иваницкий. — Источники биологических материалов дешевы и практически не ограниченны, благодаря непрерывным методам культивирования микроорганизмов и животных клеток. Биоустройствами обеспечивается широкий спектр преобразуемых видов энергии — химической, механической, световой, электрической, а в ряде случаев возможна обратимость процессов преобразования — это позволяет использовать датчики. для решения широкого круга задач. Биопреобразователи имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия (иногда почти до 100 процентов), благодаря успехам молекулярной биологии их можно конструировать с заранее заданными свойствами, избирательной реакцией и высокой чувствительностью. Эти и многие другие преимущества делают биологические системы конкурентоспособными с техническими, а по некоторым параметрам позволяют превосходить их…
Так говорит ученый — представитель той категории людей, которым обычно свойственны осторожные высказывания, снабжаемые, как правило, некоторыми оговорками. Ну а как обстоят дела на практике?
…В штате Техас один фермер недавно выиграл соревнование с компьютером местной метеостанции по точности составления прогнозов. А помогла фермеру… корова! Если она к ночи ложилась, фермер уверенно предсказывал приближающееся ненастье, если нет, значит, завтра надо ждать хорошей погоды. Корова и наблюдательный фермер оказались правы в 90% случаев, в то время как компьютер не ошибся лишь в 70%.
…Опыты, проведенные английскими учеными, показывают, что муха с высокой точностью отличает сахарин от сахара. Каким образом? Исследователи полагают, что рецепторы на лапках мухи настолько чувствительны, что она может определять различия в структуре молекул.
