Хемотроны на основе электродных фазовых превращений

Электродные процессы часто связаны с фазовыми превращениями. В результате появления или исчезновения фаз резко меняются многие важные физико-химические свойства электрохимической системы - электродные потенциалы, электрическое сопротивление и т. д. Эти изменения свойств в ходе фазовых превращений используются в интеграторах, элементах памяти мемистерах и других хемотронах. Принцип действия интегратора дискретного действия, основанного на электродных фазовых превращениях, состоит в том, что металл, предварительно осажденный на одном из электродов, переносят на другой электрод.

Для этой цели подходят металлы, ионизация и разряд ионов которых происходит с низкой поляризацией (обычно серебро или медь). Напряжение на хемотроне в процессе переноса сохраняется поэтому низким до тех пор пока на первом электроде остается металл М. Когда весь металл М окажется перенесённым с первого электрода на второй, на металле - основе электрода 1 должен начаться другой процесс, идущий при более положительном потенциале а потенциал электрода II смещается в отрицательную сторону. Напряжение' на хемо­

троне резко возрастает, что указывает на конец интегрированная. При перемене

полярности процесс накопления информации может быть продолжен. Так как

количество перенесённого металла М известно, а анодный и катодный процессы

протекают со 100 %-ным выходом по току, то по закону Фарадея можно определить количество прошедшего электричества. При введении в хемотрон третьего

электрода появляется возможность промежуточного считывания величины интеграла.

Вместо растворения и осаждения металлов в твердофазных интеграторах

можно использовать другие электродные реакции, связанные с твердофазными

превращениями оксидов или солеи. Наиболее часто используются реакции связанные с окислением серебра до хлорида серебра и восстановлением последнего

до металлического серебра и ионов хлора:

Ag + CI- = AgCI + е-

AgCI + е- = Ag + CI-

После израсходования всего хлорида серебра на катоде его потенциал резко

возрастает и напряжение на хемотроне увеличивается.

Подобные интеграторы используются в аналоговых запоминающих устройствах, в логических схемах цифровых ЭВМ.

Хемотроны, называемые мемисторами или элементами памяти, представляют

собои электрохимически регулируемые сопротивления.

За последние годы получили развитие работы по хемотронике, основанные

на использовании в хемотронном преобразователе. комбинаций различных из уже

описанных ранее принципов, а также использующие явления пассивности методов. На этой основе разработаны электрохимические реле модели нейрона и т. д.

На рис. 27.16 изображена схема электрохимического счетчика времени. Под действием внешнего тока ртуть, растворяясь в аноде, переходит в раствор электролита, а на катоде, также ртутном, она восстанавливается из раствора. Такой переход ртути, с анодного столбика на катодный, называется изменение длины ртутных электродов и перемещение слоя электролита в сторону анода.

На принципе действия кулонометра построены также многие интеграторы дискретного действия, электрохимические управляемые сопротивления.

Общим свойством всех хемотронов является их значительная инертность, обусловленная невысокими скоростями перемещений ионов в растворах электролитов.

Вывод

Так на стыке электрохимии, автоматики и электроники возникло новое научное направление - хемотроника, задачей которого является разработка электрохимических преобразователей информации, или хемотронов. Развитие этого направления вызвано растущими потребностями в средствах технической кибернетики.

Несмотря на то что первые работы по хемотронике появились всего лишь около 30 лет назад, к настоящему времени созданы уже сотни различных хемотронов - электрохимических преобразователей первичной информации и появилась обширная литература, подробно описывающая методы расчета и конструирования хемотронов, основные типы хемотронов и конкретные хемотронные приборы. Поэтому здесь даны лишь отдельные примеры, иллюстрирующие принципы работы хемотронов.

В последние годы для построения электрохимических преобразователей начали применять твердые электролиты, что позволяет конструировать более миниатюрные и долговечные устройства.

Кроме рассмотренных, созданы другие электрохимические преобразователи: мемисторы, датчики давления и вибрации, модуляторы света и др. Хемотроны обладают определенными достоинствами, открывающими перспективу их широкого применения в радиоэлектронных и кибернетических схемах. Достоинством хемотронных устройств является их простота, высокая чувствительность, малое потребление энергии, малые цена и размеры. К недостаткам хемотронов относятся невозможность работы с ними на токах высокой частоты, при напряжениях выше 1 В, а также их инерционность.

•Хемотроника как новое научное направление возникло на стыке двух развивающихся направлений: электрохимии и электроники.

На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той ризницей что носителями заряда были не электроны в вакууме, газе, или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители, интеграторы, усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе, или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако они и имеют ряд преимуществ перед электронными приборами.

В настоящее время хемотроника сформировалась как наука, изучающая перспективы построения информационных и управ­ляющих систем на основе процессов, протекающих в жидкостях и на границе жидких фаз.

В ряде литературных источников вместо термина «хемотро­ника» по аналогии с электроникой фигурирует термин «ионика», так как во всех электрохимических приборах используются ионные процессы.

Исследования показали, что жидкостные системы имеют ряд
важных преимуществ перед системами на основе твердых тел,
прежде всего к ним следует отнести компактность и многофункциональность жидкостных элементов, где в небольшом объеме может происходить одновременно с разной скоростью множество разнообразных физико-химических процессов. Эти системы надежны и обеспечивают возможность изменения своей
внутренней структуры, т. е. внутреннего управления. Наиболее
характерным примером жидкостной системы является человеческиймозг.

Таким образом, перспектива развития хемотроники — это создание информационных, и управляющих системна жидкост­ной основе, а в более далеком будущем - биопреобразователей информации. Для успешного развития хемотроники требуются фундаментальные исследования не только физики жидкости, но так же сложных физико – химических и электрохимических процессов в жидкостях и на границах жидких фаз.