Одноэлектронный транзистор на фуллерене

Ниже перечислены возможные пути развития нанокомпьютеров. У механических "компьютеров" есть богатейшая история, которая прослеживается на тысячу лет назад. В то время как большинство разработанных теорий создания механических нанокомпьютеров продемонстрировали возможность реализации таких машин (НЭМС), имеется сомнение исследователей в связи с числом механических компонентов (которые необходимы для управления), а также из-за нерешенных производственных (сборка) и технологических трудностей. Химические нанокомпьютеры могут быть разработаны на основе обработки информации посредством создания или отключения химической связи и хранения информации в образованном химическом веществе. В противоположность этому, в квантовом нанокомпьютере информация может быть представлена в виде квантового состояния (например, спин атома может управляться электромагнитным полем).Электронные нанокомпьютеры могут быть разработаны с использованием обычных концепций, которые протестированы и используются в течение последних тридцати лет. В частности, в качестве основных элементов могут быть использованы молекулярные транзисторы или квантовые точки. В нанопереключателях (обрабатывающих элементах без памяти), логические элементы и регистры должны бытьизготовлены в масштабе одной молекулы. Так называемые квантовые точки-металлические (п/п) ящики, которые держат дискретное число электронов, которое изменяется приприменении электромагнитного поля. Квантовые точки находятся в клеткахс квантовыми точками. Рассмотрим клетки с квантовыми точками, которые имеют пять и точек без электроновидве квантовые точки с электронами. Два разных состояния показано наРис. 1.1.1 (заштрихованные точки содержат электрон, в то время как белые точки не содержат электрон). Очевидно, что квантовые точки могут быть использованы для синтеза логических устройств.

State "0" State "1" State "1" State "1"

Рисунок 1.1.1. Конфигурация квантовых точек состояний "0" и "1" и "1 1"

Первоначально идея чипов на квантовых точках («Клеточные автоматы на квантовых точках» (Quantum-Dot Cellular Automata — QCA) заключалась в следующем: нанометровые кристаллы (так называемые квантовые точки) при помощи методов, сходных с технологией изготовления микросхем, выстраиваются на поверхности в виде групп ячеек. В каждой из них может быть «пойман» в ловушку единственный электрон. Взаимодействие соседних ячеек можно организовать так, чтобы получилась логическая схема. QCA позволили бы увеличить плотность размещения элементов на чипах в сотни тысяч раз. Однако исследования показали, что такие QCA требуют очень низких рабочих температур.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ

Согласованное поведение и движение, визуализация и зондирование, моторика и принятие решений, память и обучение живых организмов есть результат электрической (электромагнитной) передачи информации нейронами. Один кубический сантиметр мозга содержит миллионы нервных клеток, и эти клетки общаются с тысячами нейронов, создающих сети (связи) для обработки данных. Информация из мозга к мышцам передается за миллисекунды. Центральная нервная система человека, которая включает в себя мозг и спинной мозг, служит связующим звеном между датчиками (сенсорными рецепторами) и моторами периферической нервной системы (эффекторные, мышечные и железистые клетки). Эффекторные клетки (effector cells)[лат. effectio — действие, делание]

- 1) клетки иммунной системы, разрушающие антитела; к ним относятся T-хелперы и цитотоксические T-лимфоциты, которые объединены общим названием «эффекторные T-клетки» или «T-эффекторы»;

- 2) клетки нервной системы, взаимодействующие с медиаторами и несущие на своей поверхности соответствующие рецепторы Часть Э.к. расположена в ЦНС, часть на периферии (они получают импульсы из ЦНС и передают их к органам).

Следует подчеркнуть, что нервная система имеет следующие основные функции: зондирование, интеграция и принятие решений (вычислительные), и моторные (управление). Мозг человека состоит из заднего мозга (управления гомеостазом и координация движения), средний мозг (прием, интеграция и обработки сенсорной информации), а в отношении переднего мозга (нейронная обработка и интеграция информации, обработки изображений, короткая и долгосрочная память, функции обучения, принятия решений и производство команд движения). Периферическая нервная система состоит из сенсорной системы (сенсорные нейроны передающие информацию от внешней и внутренней среды к центральной нервной системе, и моторные нейроны, которые несут информацию от мозга или спинного мозга эффекторам), которая поставляет информацию из сенсорных рецепторов на центральную нервную систему и переносит по каналам нервной системы сигналы (команды) из центральной нервной системы к мышцам (эффекторам) ибжелезам. Спинной мозг является передает рефлексы, которые объединяют входы сенсоров и моторные выходы, и через спинной мозг нейроны несут информацию к мозгу и от мозга. Передача электрических сигналов по нейронам является очень сложным явлением. Мембранный потенциал для не передающих нейронов возникает из-за неравномерного распределения ионов (натрия и калия)по две стороны мембраны.. Потенциал покоя поддерживается благодаря дифференциальной проницаемости ионов и так называемому Na⁺ - К⁺ насосу. Стимул изменяет проницаемость мембран, и ионы могут деполяризовать или увеличивать потенциал мембраны по сравнению с мембранным потенциалом покоя. Этот изменение потенциала (напряжение) пропорционально силе раздражителя. Стимул передается по аксонному механизму. Нервная система показана на рисунке 1.2.1.

Рисунок 1.2.1. Нервная система позвоночных: функциональная схема высокого уровня

Существует большое разнообразие организаций нервной системы. Гидроидная (гидра) нервная сеть является организованной системой нервов без центрального управления , то есть простой нервной сетью, которая может выполнять элементарные задачи (плавать медузе). Иглокожие имеют центральное кольцо нервов с радиальными нервами (например, морские звезды имеют центральные и радиальные нервы с нервной сетью). Планарии имеют маленькие мозги, которые посылают информацию через два или более нервных ствола, как показано на рисунке 1.2.2.

Рисунок 1.2.2. Обзор нервных систем беспозвоночных

Исследование и разработки в области молекулярных нанотехнологий и НЭМС, прежде всего, сосредоточены на разработке, моделировании и изготовлении устройств молекулярного масштаба. Для изготовления наноразмерных структур, устройств и НЭМС, должны быть разработаны молекулярные методы производства и технологии. При синтезе и изготовлении молекулярных- наноструктур самосборка и самопозиционирование являются предпочтительными технологиями по сравнению с индивидуальной фабрикацией (перемещением атомов и молекул с помощью кантилеверов и т.п.). Для выполнения самопозиционирования и самосборки используются комплементарные пары (CP)имолекулярные строительные блоки (MBB). Эти СР или MBB изучены и разработаны с использованием аналогии ДНК. Структурными единицами ДНК и РНК являются нуклеотиды, и каждый нуклеотид состоит из трех компонентов (азотистого основания, пентозы и фосфата), соединенных за счет дегидратационного синтеза. ДНК (длинный двухцепочечный полимер с двойной цепью нуклеотидов, цепочки скрепляются водородными связями между основаниями) как генетический материал (гены), выполняет две основные функции. Она повторяет (тождественно воспроизводит) сама себя, прежде чем клетка делится, и обеспечивает шаблон для синтеза белка, направляя рост и развитие всех живых организмов в соответствии с информацией ДНК поддерживает. Архитектура ДНК обеспечивает механизм для репликации генов. Специфическое спаривание азотистых оснований определяет комбинации азотистых оснований, которые образуют ступеньки двойной спирали. Четыре основания ДНК это: (аденин), G (гуанин), С (цитозин), и Т (тимин). Связь между ними в молекуле ДНК формируется за счет водородных связей между основаниями, которые парных в интерьере из двойной спирали (базовые пары находятся на расстоянии 0.34 нм друг от друга, и есть десять пар на поворот спирали).

Рисунок 2.1.6. Спаривание ДНК за счет водородных связей

Комплементарные основания молекул ДНК дали идею монтажа НЭМС структур с желаемым уровнем специфичности, архитектуры, топологии, и организации с помощью липких окончаний (sticky end) (через дополняющее, то есть комплементарное спаривание). В сборке и дизайне структур ключевым элементом является способность СР или MBB (атомов или молекул) связаться друг с другом (распознавать и идентифицировать другие атомы или молекулы с точки зрения возможности образования связи, то есть спаривания). Было подчеркнуто, что в ДНК, аденин (A) способен связаться только с Т (тимин) и G (гуанин) способен связаться только с C (цитозин). Используя эту идею, можно спроектировать CP например A1-A2, B1-B2, С1-С2 и т.д. Это комплементарное спаривание может быть за счет электростатики или электромагнетизма (закон Кулона, ионная связь, магнитные свойства) и за счет химической связи (• биполярные связи (слабые),• водородные связи (слабые),• связи в комплексы переходных металлов (слабые),• амидные и эфирные связи (слабые и сильные)).

Рисунок 2.1.7. Комплементарная пара A1-A2, образующаяся за счет электростатических липких окончаний Рисунок 2.1.8. Самособранное кольцо

Самоассоциированные сложные наноструктуры могут быть изготовлены с использованием субсегментной концепция формирования разветвленных цепей.