Сканирующая зондовая микроскопия.

Существуют следующие виды СЗМ:

- атомно силовая микроскопия (АСМ, AFM)

- баллистическая электронно-эмиссионная микроскопия (БЭЭМ, BEEM)

- магнитно-силовая микроскопия (MCM, MFM)

- магнитно-силовая резонансная микроскопия (МСРМ, MRFM)

- метод зонда Кельвина(KRFM)

- микроскопия модуляции силы (FMM)

- микроскопия электростатических сил (МЭС, EFM)

- сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия (СБОМ, SNOM)

- сканирующая емкостная микроскопия (SCM)

- сканирующая зондовая микроскопия (SHPM)

- сканирующая микроскопия ионной проводимости (SICM)

- сканирующая микроскопия напряжения (SVM)

- сканирующая термомикроскопия (SThM)

- сканирующая туннельная микроскопия (СТМ, STM)

- спин-поляризационная сканирующая туннельная микроскопия (СП СТМ, SPSTM)

- фотонная сканирующая микроскопия (ФСТМ, PSTM)

- электрохимическая сканирующая туннельная микроскопия (ЭХ СТМ, ESTM)

Cреди этих методов наиболее широко используются АСМ и СТМ, а также МСМ и СБОМ.

Основными преимуществами методов сканирующей зондовой микроскопии являются:

1. высокая локальность, которая определяется взаимодействием зонда и поверхности

2. возможность использования зонда для модификации поверхности объекта

3. возможность использования не только в вакууме, но и на воздухе и в жидкой среде.

Основными недостатками СЗМ являются:

1. сильная зависимость результатов от формы и природы зонда

2. низкая скорость, обусловленная механической системой сканирования

3. искажение расстояний и углов, что связано с нелинейностью функционирования пьезокерамики и тем фактом, что данные от различных участков растра получены в разные моменты времени.

Сканирующий туннельный микроскоп.

В 1990 г. Дон Айглер исследовал СТМ для того, чтобы создать эмблему IBM, показав этим, что с помощью микроскопии можно добиться точного перемещения и распределения отдельных атомов.

Атомно-силовая микроскопия

Принцип работы АСМ основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зонда. В качестве зонда используется наноразмерное острие, расположенное на кончике консоли, называемое контилевером.

В зависимости от характеристики действия силы между контилевером и поверхностью образца выделяют 3 режима работы атомно-силового микроскопа:

1. контактный.

Острие контилевера находятся в непосредственном контакте между образцом и поверхностью. Сканирование осуществляется, как правило, в режиме постоянной силы, когда система обратной связи поддерживает постоянную величину изгиба контилевера. При исследовании образцов перепадами высот порядка 1 ангстрема, возможно применение режима сканирования при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. В этом случае контилевер движется на некоторой средней высоте над образцом. Изгиб консоли, пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности, записывается для каждой точки. Изображение в таком режиме представляет собой пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Достоинства метода:

- наибольшая по сравнению с другими методами помеха устойчивости

Недостатки метода:

- возможное повреждение как зонда, так и образца

- практически непригоден для изучения объектов с малой механической жесткостью.

2. полуконтактный

При работе в полуконтактном режиме также возбуждаются колебания контилевера. Такой метод является промежуточным между полноконтактным и полнобесконтактным.

3. бесконтактный

При работе в бесконтактном режиме пьезовибратором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте. Сила действующая со стороны поверхности приводит к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик зонда. И амплитуда и фаза изменяют значение. Система обратной связи, как правило, поддерживают постоянной амплитуду колебаний зонда, а изменение частоты и фазы в каждой точке записываются. Однако возможно установление обратной связи путем поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.

Достоинства:

- возможность достижения атомарного разрешения

- обеспечивается сохранность зонда и образца.

Недостатки:

- крайне чувствителен ко всем внешним шумам

- попадание на контилевер во время сканирования частицы с поверхности образца меняет его частотные свойства и настройки сканирования уходят.

 

В настоящее время СЗМ-микроскопы нашли применение во всех областях науки. В физике, химии и биологии СЗМ применяются как инструмент исследования. Перспективным направлением считается совмещение СЗМ с другими традиционными и современными методами исследования, а также создание принципиально новых приборов. Например, совмещение СЗМ с оптическим микроскопом, электронным микроскопом, спектрометрами и даже ультрамикроскопами.

Наноманипуляторы

 

Наноэлектроника

Электроника – это раздел науки и техники, в котором исследуются электронные явления в веществе и на основе результатов этих исследований разрабатываются методы создания электронных приборов, схем, сичтем. Электронные схемы и системы лежат в основе инструментальной информатики и автоматики. Уровень развития электроники определяет уровень развития современной цивилизации. В своем развитии электроника прошла 3 этапа:

1. ламповая

2. полупроводниковая

3. интегральная полупроводниковая(микроэлектроника)

Наноэлектроника – это четвертый этап развития электроники.

Наноэлектроника - это область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.

История развития электроники.

В основу 1 поколения электроники был положен эффект эмиссии электронов из нагретого катода и управление потоком этих электронов в вакууме.

Термоэлектронная эмиссия была открыта американским изобретателем Томасом Эдиссоном в 1889 г и исследован английским физиком Ричардсоном в 1928г, за что он получил нобелевскую премию. На основе описанного эффекта был создан активный схемный элемент радиолампа, озволяющий выпямлять и усиливать электрический сигнал, а также генерировать электромагнитные колебания. Электронные схемы 1 поколения состоят из отдельных дискретных или активных и пассивных схемных элементов. Ламповая дискретная электроника применялась для создания несложных электронных схем и запросы вычислительной и военной техники 50-х годов 20 века требовали создания сложнейших электронных схем. Перед электроников возникли следующие проблемы:

1. многократно повысить надежность электронных систем

2. существенно уменьшить их габариты, вес и энергопотребление

3. значительно снизить себестоимость производства

4. увеличить быстродействие

Ламповая электроника не позволяла координально решить ни одну из проблем: во-первых, она основывалась на использовании дискретных элементов, выполняемых из различных материалов по несовместимым технологиям. В этих условиях значительно увеличить производительность и снизить себестоимость схемных элементов было невозможно. Во-вторых, электронные схемы получались из дискретных элементов путем их соединения при пайке проводников, соединяющих отдельные элементы.

1948г – первая ламповая ЭВМ, содержавшая примерно 20 тыс. радиосхем и еще больше межсоединений, могла бесперебойно работать всего несколько часов. Современная же интегральная микросистемы содержат до миллиарда элементов и обеспечивают компьютеру бесперебойную работу на протяжении многих лет.

В-третьих, принцип действия радиоламп таков, что значительно уменьшить габариты, вес и энергопотребление практически невозможно. Поэтому возникла принципиально новая электроника, основанная на особых свойствах полупроводниковых структур.

Транзисторы

Транзистор заменил электровакуумную лампу в качестве регулятора электронных сигналов.

Литография

Типы транзисторов

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя p-n переходами называются транзисторами. На их работе основаны все логические микросхемы. Для создания транзисторов обычно используются германий или кремний.

1. Плоскостной транзистор

Обычный плоскостной транзистор представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электронным или дырочным типом проводимости, на которую ______ участки другого полупроводника с противоположным типом проводимости. Пластинку транзистора называют коллектором (К), а вторую эмиттером (Э). В условных обозначениях стрелка эмиттора показывает направление тока через него. В транзисторе n-p-n типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а две области – проводимостью n-типа. Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения, два p-n перехода взаимодействуют и в цепи коллектора тоже возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала.

2. Полевой транзистор

 

3. Нанотранзисторы

Это транзисторы, размеры которых исчисляются нанометрами. Одно из основных требований технологий изготовления нанотранзисторов – это высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому, однако этот процесс очень медленный.

 

Молекулярные вычисления на основе ДНК

Вычисления ДНК – это новое междисциплинарное направление на границе молекулярной биологии и компьютерных наук. Основная идея ДНК вычислений – это построение новых вычислений, новых моделей на основе знаний о строении и функции молекулы ДНК. Область ДНК вычислений несет новые идеи, связанные с программированием синтеза структур на наноуровне, методом сверху вниз, с использованием механизмов самоорганизации и самоформирования на молекулярном уровне. ДНК процессор характеризуется структурой и набором команд. Структура процессора – это структура ДНК, набор команд – это перечень биохимических операций с молекулами. Принцип устройства компьютера ДНК основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов. Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют кадон - элементарную ячейку памяти, совокупность которых затем формирует цепь ДНК. Основная трудность в разработке ДНК-компьютеров связана с проведением избирательных однокадонных реакций внутри цепи ДНК. Существует экспериментальное оборудование, позволяющее работать с 1 из 1000 кадонов ДНК. Другой проблемой является самосборка ДНК, приводящая к потери информации. Ее преодолевают введением в клетку специальных ингибиторов, предотвращающих химическую реакцию. Использование ДНК для организации вычисления в теоритическом обосновании в 1950 году было предложено Ричардом Фельдманом. Первый компьютер на базе ДНК был создан в 1994 г. Леонардом Аглеманом. Он смешал в пробирке ДНК, в котрой были закодированы исходные данные, и специально подобранным образом ферменты. В результате химической реакции структура ДНК изменилась таким образом, что в ней в закодированном виде был представлен ответ задачи.

Лонд Смит из университета Весконсии решил с помощью ДНК задачу доставки 4 сортов пиццы по 4 адресам, которая подразумевала 16 вариантов ответа.

Ученые из Принстона решили комбинаторную шахматную задачу, при помощи РНК: правильных ход коня на доске из 9 клеток, было всего 512 вариантов.

Ричард Лингтон из Принстона первым доказал, как используя ДНК, можно кодировать двоичные числа и решать проблему удовлетворения логического выражения. Суть ее в том, что имея некое логическое выражение, включающее n логических переменных, нужно найти все комбинации значений переменных, делающих выражение истинным. Задачу можно решить только перебором 2n комбинаций. Все эти комбинации легко закодировать с помощью ДНК, а дальше действовать по методике Аглемана.

Первую модель биокомпьютера, в виде механизма из пластмассы в 1999 г создал Ихуд Шатиро из Вейцманского института естественных наук.

В 2001 году Шапиро удалось реализовать вычислительное устройство на основе ДНК, которое может работать почти без вмешательства человека. Система имитирует машину Тьюринга – одну из фундаментальных в вычислительной технике. Машина Тьюринга шаг за шагом считывает данные и в зависимости от их значений принимает решения о дальнейших действиях. Теоретически она может решить любую вычислительную задачу. по своей природе молекула ДНК работает аналогичным образом, распадаясь и рекомбинируясь в соответствии с информацией, закодированной в цепочках химических соединений.

Разработанная в институте машина Вельцмана кодирует входные данные и программы, состоящие из двух цепей ДНК и смешивает их с двумя ферментами. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного обеспечения, а молекулы ДНК ПО. Один фермент расщепляет молекулу ДНК с входными данными на отрезке разной длины, в зависимости от содержания в соответствии с их кодом и кодом молекулы ДНК с программой. Процесс продолжается вдоль входной цепи и когда доходит до конца получается выходная молекула, соответствующая конечному состоянию системы. Этот механизм может использоваться для решения различных задач. По оценкам Шапиро и его коллег в одной пробирке может происходить триллион процессов.

В конце февраля 2002 года появилось сообщение, что фирма «….оптикал» претендует на первенство создания коммерческой версии ДН компьютера, предназначенного для генетического анализа, машина была создана в сотрудничестве доцента Токийского университета. Компьютер, построенный данной фирмой имеет молекулярную и электронную составляющую.Первая осуществляет химическую реакцию между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результатов вычисления, вторая обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты. Возможностями биокомпьютеров заинтересованы и военные. Американское агенство в области обороны выполняет объект, получивший название «биокомп»(биологические вычисления), цель этого проекта – создание мощных вычислительных систем на основе ДНК. Пока до практического применения биокомпьютеров не дошли. Предполагается использовать ДНК компьютеры как нанофабрики лекарств, помещать подобное устройство в клетку, таким образом врачи смогут определить состояние клетки.

Клеточные компьютера представляют собой самоорганизующиеся колонии различных «умных» микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Для этой цели идеально подошли бы бактерии. Главное свойство такого компьютера в том, что каждая его клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он производит нужное вещество. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами и можно легко и быстро вырастить 1000 клеток с такой же программой. Основная проблема, с котрой сталкиваются создатели клеточных компьютеров – это организация всех клеток в единую работающую структуру. На сегодня практические достижения на начальном уровне. Сейчас в лабораториях искусственного интеллекта Масачус. университета создана клетка, способная хранить на генном уровне 1 вид информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичным бактериям отыскивать своих соседей, образовывать структуру и осуществлять массив параллельных операций.

в 2001 году американскими учеными были созданы трансгенные микроорганизмы.

Потенциал биокомпьютеров очень велик.

Достоинства:

1. Более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации таких условий, как при производстве полупроводников

2. Использование не бинарного, а _____кода, это когда информация кодируется тройками нуклеотидов, что позволяет за меньшее количество шагов переиграть большее количество вариантов при анализе сложных систем.

3. Исключительно высокая производительность, которая может состоять до 1000 операций в секунду.

4. Возможность хранить данные с плотностью с триллион раз превышающей показатель оптических дисков.

5. Исключительно низкое энергопотребление.

Недостатки:

1. Сложность со считыванием результатов. Современные способы определения кодирующей информации пока очень трудоемки и дороже.

2. Низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосуда.

3. невозможность длительного хранения результатов вычисления, в связи с распадом ДНК с течением времени.

ДНК чипы (биочипы)