Техника - молодёжи 1989-01, страница 18

Да и вообще, переход электроники на молекулярный уровень воз можен только при использовании биоматериалов — молекулы неорганических полупроводников уже не годятся. И вот почему. В микромире любой процесс носит вероятностный характер и однозначно предсказать, как он пройдет в данном конкретном случае, невозмож но. Это означает, что микроскопический полупроводниковый элемент ЭВМ при подаче управляющего сигнала один раз может переключиться, а другой — нет. Упро щенно говоря, один раз машина выведет на дисплей сообщение «2X2=4», другой — «2X2=5». Такое устройство скорее можно назвать электронной рулеткой, чем компьютером.

С биологическими молекулами все обстоит по-другому. Они состоят из десятков тысяч атомов, образующих сложные разветвленные цепи и взаимодействующих между собой. В каждом процессе, протекающем в такой молекуле, участ вуют почти все ее атомы. И если отклик каждого «кирпичика» на внешнее воздействие до некоторой степени случаен, то молекула в целом, благодаря взаимосвязи своих частей, откликается на сигнал од нозначно. О чем еще мечтать создателям вычислительных машин?!

У биоматериалов есть и другое преимущество. Сегодня в мире изготовляются миллиарды чипов, и в будущем микросхемы, вероятно, станут самой массовой промыш ленной продукцией. Тогда простота, дешевизна и безвредность их производства станут решающим фактором. В этом отношении биоэлектроника вне конкуренции. Биологические материалы дешевы, а получать их можно в неограниченном количестве, причем по замкнутой, экологически чистой технологии, тогда как при современных способах очистки кремния приходится использовать вредные вещества.

Простейшие биоэлектронные устройства уже созданы и производятся серийно. Это биодатчики, измеряющие температуру, электромагнитные поля, концентрации некоторых веществ Их появление непосредственно связано с нуждами вычислительной техники. В любую ЭВМ, как известно, необходимо вводить информацию, и биодатчики могут оказаться здесь незаменимым средством, дополняющим обычную клавиатуру или магнит

ный диск. Скажем, будущим роботам понадобится не только мощный компьютер, но и органы зрения, слуха или даже обоняния.

Большинство биодатчиков, как только что говорилось, фиксируют содержание различных веществ в исследуемой смеси. Раньше такой анализ требовал длительного времени и сложной аппаратуры. Биодатчики делают его почти мгновенно и с высокой точностью, так как способны отличить друг от друга молекулы с очень сходной структурой.

Конструкции биодатчиков различны. Обычно это транзистор, в котором поверхность полупроводника покрыта слоем чувствительного вещества органического происхождения. Если интересующие нас молекулы оседают на нем, то, вступая в реакцию, образуют электрический заряд у поверхности полупроводника. Он улавливается приборами. В другом типе датчиков используется свойство некоторых биологических кристаллов менять свой объем и форму. Это особые пластинки, которые в присутствии определенных молекул удлиняются или изгибаются. Есть и более сложные конструкции, но все они имеют общее ценное свойство — малые размеры и годятся для измерений в самых труднодоступных местах и самых тяжелых условиях.

И все-таки биодатчики пока уступают чувствительным органам, созданным природой. Ведь человеческий глаз реагирует даже на один фотон света, а обонятельные рецепторы бабочки — на единственную молекулу пахучего вещества. Более высокой чувствительности в принципе и быть не может. А достигается это за счет того, что попадание в клетку одной молекулы вещества или одного фотона заставляет перемещаться в ней огромные потоки заряженных частиц, усиливающих сигнал в миллиарды раз. Многие биологи изучают сейчас клеточные механизмы усиления сигналов. Если эти механизмы удастся разгадать, их, несомненно, постараются использовать в измерительных приборах, в том числе в биодатчиках- Впрочем, не только На пленках из светочувствительных молекул уже пытаются строить запоминающие устройства гигантской емкости. Информация записывается на пленку и считывает -ся с нее лазером. Оба процесса можно вести одновременно во множестве ячеек пленки, а значит,

такая биопамять будет обладать высочайшим быстродействием.

Идея биодатчиков в принципе не так уж нова. Но создание элементной базы, то есть простейших биологических диодов и транзисторов, из которых будут строить биокомпьютеры, это следующий, куда более сложный этап. Здесь пока масса вопросов. Из каких материалов и по каким законам можно создать эти элементы? Как их изготовлять промышленно? Как связать эти, по сути дела, живые детали в единое устройство?

Исчерпывающие ответы на них, к сожалению, появятся еще не скоро. Но сегодня уже ясны главные направления поиска. Современные методы молекулярной биологии позволяют манипулировать отдельными молекулами — с помощью белков-ферментов разрезать и склеивать их в нужных местах, строить тонкие пленки или даже собирать цепи заданной структуры, присоединяя звено за звеном к исходной молекуле.

Уже имеются первые прототипы будущих логических биоэлементов. Скажем, молекулярный диод, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий в обратном, можно представить в виде цепочки из трех молекул. Одна (донор) обладает электронами, которые может отдать, вторая (акцептор) способна электроны принять, третья же их соединяет. Если такую конструкцию поместить в электрическое поле, ускоряющее электроны в направлении от донора к акцептору, то они потекут по цепи. Если же поле направлено в обратную сторону, электроны двигаться не будут.

Ведутся работы и над молекулярными транзисторами. Предположим, что мы уже научились строить из биомолекул транзисторы, логические элементы, ячейки памяти. Но как собрать из них ЭВМ? Пинцетом молекулу не схватишь, провод к ней паяльником не припаяешь. Соединить молекулярные элементы можно лишь проводниками молекулярных размеров. И ученые настойчиво ищут такие проводники. Недавно обнаружены вещества, молекулы которых образуют длинные цепочки, способные проводить ток. Это соединения порфиринового ряда. Их молекулы напоминают по форме плоские кольца, в центре которых атом металла, а по краям — углерод и водород. Если несколько колец уложить друг на друга,

16