F_04_bio (Лекции (Ляхова)), страница 2

Рис. Диагностическая система ООО «Биочип ИМБ» для идентификации личности в судебной медицине.

В лаборатории Оук Ридж в США создали ДНК-биочип для быстрой диагностики инфекционных и опухолевых заболеваний. Этот “генетический зонд” содержит люминесцентную “метку”, которая изменяет параметры излучения при связывании с определенными веществами (белками, ДНК вируса, бактерии или раковой клетки). В состав биочипа входит люминесцентный детектор и электрооптическая ИС. Различные по составу биочипы, будучи элементами молекулярной сенсорной матрицы, выполняют роль комплексного диагностического прибора для оперативного выявления сложных заболеваний (синдрома Альцгеймера, рака).

Молекулярный наномотор.

В качестве мотора используется одна сложная молекула, форма которой напоминает 2 лопасти на валу. "Лопатки" наномотора, состоящие из нескольких десятков атомов, разнозаряжены. В осциллирующем электрическом поле ротор проворачивается по оси химических связей. Наномотор может использоваться как химический наносенсор, молекулярный сортирующий ротор, насос, перекачивающие жидкости с молекулярной точностью, логический ключ.

Рис. Молекулярный мотор.

Рис. Молекулярный сортирующий ротор.

Технологические приемы молетроники

В арсенал молекулярной технологии помимо широко используемых процессов типа напыления и наращивания тонких слоев входят операции

- «самосборки»,

- переноса вещества с помощью молекулярного захвата,

- инициации кристаллизации.

Самосборка.

Свойство некоторых молекул самоорганизовываться в повторяющиеся комплексы получило название «самосборки». В реализации самосборки могут участвовать следующие механизмы:

- увеличение давления - сближает частицы, способствуя их соединению;

- увеличение температуры - повышает свободную энергию частицы, способствует разориентированию;

- жидкое состояние - способствует диссоциации молекул; нейтральные молекулы становятся заряженными частицами; появляются нескомпенсированные валентные связи; уменьшаются трение и вязкость; облегчается миграция молекул;

- электрическое, магнитное поля - ориентируют диполи вдоль силовых линий; это хорошо иллюстрирует поведение электро- и магнито- реологических жидкостей.

Проблемы технологической “самосборки” элементов микросхем анализируется с помощью математической теории управления. Детальное централизованное управление возможно лишь для не слишком сложных систем. В иных случаях эффективное управление осуществляется путем создания условий, в которых каждый будет, сообразуясь с собственной выгодой, делать именно то, что требуется. В случае белков, не обладай их молекулы свойством самоорганизации, потребовалось бы неимоверное число “руководителей” - ферментов. Централизованное направленное воздействие в технологическом приложении – это лазерное фрезерование, механическая обработка традиционным инструментом: сверлом, фрезой, резцом.

Под «созданием условий» подразумевается изменение параметров технологической среды: давления, температуры, концентрации и т.п. Так, диффузия активизируется при температуре выше температуры Таммана, а при определенном сочетании давления и температуры формируется кристаллическая фаза алмаза или происходит желатинизация прокладки многослойных печатных плат. Для реализации самосборки необходимы:

- определенная структура молекул (тип кристаллической решетки, полярность, намагниченность и т.п.),

- наличие «лекала» (генный код),

- определенное состояние окружающей среды (например, пониженная вязкость), способствующее подвижности молекул,

- адекватное внешнее воздействие, стимулирующее фазовый переход (например, высокие температура и давление для алмаза) или определенную конформацию полимера,

- адресации потоков вещества и информации.

Эффект «самосборки» может использоваться для объединения определенных типов молекул. С помощью подходящей пары можно соединять две части устройства. Подвижная часть устройства не присоединится к чистой подложке.

Рис. Схема сборки устройства (Device) с использованием эффекта «самосборки» (Self-Assembly) молекул.

Для реализации слоев прецизионной толщины используется технология нанесения одноатомного слоя «Atomic layer deposition» (ALD). Именно точно рассчитанное число слоев позволяет формировать транзисторы, конденсаторов большой емкости на основе диэлектрических пленок с высокой диэлектрической проницаемостью. В отличие от традиционного химического вакуумного напыления каждый атомный слой создается в 2 этапа с помощью двух разных реагентов (ALD.swf). Это самоограничивающийся (self-limited) процесс. За один цикл создается 1 слой, поэтому легко управлять толщиной пленки. Вещества подбираются таким образом, чтобы имелась сильная связь между молекулами разных слоев и слабая – в пределах слоя.

Рис. Схема одного цикла создания атомного слоя.

Соединению полимерных слоев может способствовать электростатические силы.

Рис. Формирование пленки «слой за слоем» (Layer-by-Layer - LbL) из полиаминов.

Рис. Самосборка пленки «слой за слоем» ( LbL) из растворов.

Методы манипулирования наночастицами.

Это, во-первых, динамическое манипулирование лазерным лучом. С помощью энергии луча лазера (laser) возможно производить перемещение молекул, их вращение. Поведение молекул на столике микроскопа (microscope) фиксирует камера с зарядовой связью (CCD).

Рис. Схема установки лазерного манипулятора.

Молекулярные захваты (ловушки, «пинцеты») - вещества, которые способны связывать ионы или молекулы посредством межмолекулярного взаимодействия. При фотоуправлении прочность связи возрастает на 3 порядка. Эти эффекты могут реализоваться без зонда – с помощью сфокусированного луча.

Введение фотохромных молекул малой концентрации в технологическую среду может при облучении инициировать процесс кристаллизации. В одной из своих устойчивых фаз молекулы будут являться зародышами (4).