В 1965 г., на заре электронной эры, директор одного из отделов исследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме ежегодно будет удваиваться. Долгое время так оно и было, и только в последние годы появилась тенденция к замедлению процесса, ведь есть физический предел этих технологий. Один из наиболее реальных путей решения проблемы предлагает электроника, основанная на органических молекулах. Возможность использования отдельных молекул как активных элементов высказал Фейнман еще в 1957 г. Молекула, как образец естественного предела миниатюризации, представляет собой идеальную систему, состоящую из отдельных атомов, движение электронов в которой задается квантово-химическими законами.
Многочисленные исследования электрических свойств различных органических материалов открывают путь к электронике ХХI в. Органические материалы, палитра которых бесконечно разнообразна, легче и гибче неорганических, им проще придавать нужную форму. Существует огромное количество сложных органических молекул, а их разнообразные химические и электронные свойства таят много новых возможностей. Можно синтезировать миллионы различных молекул, заменяя в них отдельные блоки, как в детском конструкторе, и образовывать молекулы и полимеры с любыми тонко дифференцированными функциями. Такие полимеры можно легко растворять в химических растворителях и, используя раствор вместо чернил, печатать любые схемы на простых компьютерных принтерах. Все это дает колоссальные технологические и экономические преимущества. Дешевизна материалов и производства открывает перед органической электроникой новые области применения. Создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных в единую сеть, позволяет реализовать потенциальные возможности, заложенные в нейрокомпьютерной идеологии, получить принципиально новый тип информационно-вычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемы искусственного интеллекта. Ориентация на возможности молекулярного мира не случайна, ведь именно природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные.
О молекулярных компьютерах говорят уже давно. Любая ЭВМ имеет три главных компонента: переключатели (транзисторы), элементы памяти, проводники. Молекулы и организованные молекулярные ансамбли, обладающие свойствами бистабильности, то есть способностью существовать в двух или нескольких термодинамически устойчивых состояниях, могут быть элементной базой для нового поколения вычислительных и информационных систем. Бистабильные молекулы могут управляться световыми и электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Для этого используются также процессы цисс-транс-изомеризации, перициклических превращений, переноса электрона и протона.
Память молекулярного компьютера может быть основана на тех же принципах, что и переключателя, в ее основе — бистабильные молекулярные структуры и их превращения. В Институте нанотехнологий Калифорнийского университета (США) создан первый 160-килобитный работающий контур молекулярной памяти с колоссальной плотностью записи. В недалеком будущем компьютеры смогут записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, а в полном объеме, то есть память станет трехмерной. Еще одно новое направление — так называемая спинтроника — основано на использовании спина электронов у магнитных органических молекул. За счет спин-орбитального взаимодействия магнитный момент может прецессировать. Информация, закодированная таким образом, сохраняется и после выключения устройства. Для ее обработки не требуются магнитные поля, а для записи достаточно мизерных затрат энергии.
Молекулярные проводники обеспечивают сообщение между молекулярными транзисторами и молекулярными устройствами памяти. Разрабатывается три типа молекулярных проводников: проводящие полимеры (политиофен, полианилин и др.), донорно-акцепторные органические проводники различной природы, а также углеродные нанотрубки и графен.
Самая сложная задача — собрать все компоненты в действующее устройство. Имеющиеся стандартные технологии для работы с молекулами не годятся. Для этой цели нужно применить принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул. Он же лежит в основе происхождения жизни, именно его использует природа для образования таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, жидкие мембраны и глобулярные белки. Молекулы и атомы — эталонные образования, с помощью которых можно добиться очень хорошей воспроизводимости элементов. Недавно в США получен патент на технологию создания сложных логических микросхем молекулярного уровня, производство которых, как обещают авторы, будет простым и дешевым. В результате исследований дан ответ на вопрос: как организовать эффективный ввод-вывод информации по отношению к молекулярным структурам. Аналогичная задача для квантовых компьютеров пока не решена. Если до создания устройств, в которых управлению подлежат отдельные атомы, еще далеко, то управление на молекулярном уровне — уже свершившийся факт. Размеры молекулярного транзистора на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых, при производстве которых ныне действует технология 0,13 мкм. Многие исследователи предсказывают, что молекулярные компьютеры в конечном счете заменят системы, основанные на кремниевых чипах. Это позволит изготовить настолько миниатюрный компьютер, что его можно будет включать, например, в ткань одежды.
При определенных комбинациях составляющих частей молекулы или самособирающиеся слои этих молекул могут работать как диоды, выпрямители тока и др. Благодаря высокой чувствительности молекулярных электронных устройств к свету их можно использовать для создания эффективных преобразователей солнечной энергии, нового класса приемников изображения, прин¬цип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза, для моделирования процесса фотосинтеза. Такие устройства можно применять также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Они необходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживлять в организм человека, чтобы контролировать его состояние. Созданный по такому же принципу прибор служит для поиска мельчайших следов взрывчатки. На основе молекулярной структуры в Японии сконструирован первый в мире суперминиатюрный молекулярный двигатель.
Электронные устройства на базе ансамблей из органических молекул разрабатываются и исследуются активнее, чем устройства на основе одиночных молекул, поскольку они легко интегрируются в обычную электронику и быстро коммерциализируются. Одно из наиболее ярких изобретений, имеющих успех на рынке, — органические электролюминесцентные диоды. Они нашли широкое применение в дисплеях сотовых телефонов, цифровых фотоаппаратов и различных индикаторов. Начат выпуск телевизоров и мониторов. Эффективность лучших электролюминесцентных устройств (более 20%) уже выше, чем у люминесцентных ламп, а срок их жизни превышает 20—50 тыс. часов. Основные их достоинства — экономичность, дешевизна изготовления, высокое качество, гибкость, быстродействие, отсутствие сильного нагрева и проблем с утилизацией.
Другое важное направление, вошедшее в фазу коммерциализации, — разработка органических солнечных элементов. И хотя их эффективность (КПД лучших лабораторных образцов достигает 7%) еще значительно меньше, чем неорганических, дешевизна делает производство выгодным даже при КПД 3%.
Еще одна простая и очень перспективная технология, имеющая много применений, — электронная бумага. Она представляет собой тонкую пленку, заполненную электрохромным материалом — электронными чернилами. Компания Xerox разработала токопроводящие чернила, которые дают возможность наносить электронные схемы на ткань, пластик и практически любой другой материал. Благодаря работе в отраженном свете электронная бумага потребляет крайне мало энергии и не требует подсветки. Электронные книги позволят сберечь миллионы деревьев, используемых для производства обычной бумаги.
Предложен целый ряд новых органических электропроводных материалов и структур, нашедших применение в качестве проводников и прозрачных электродов в диодах, транзисторах, гибких интегральных микросхемах. Разрабатываются маленькие радиочастотные этикетки, которые не требуют считывателей и обеспечивают легкость контроля и учета. Стали распространенными исследования по созданию быстро заряжаемых тонко¬пленочных полимерных батарей, фото- и электрохромных окон. Из органического материала удалось изготовить магниты. Исследователи компании «Люсент» в Нью-Джерси сумели создать первый электрический лазер на основе органического материала, дающий возможность прямого преобразования электрической энергии в лазерное излучение. Регулярно появляются сообщения о разработке новых и новых уникальных сенсоров.
Из вышеприведенного обзора видно, что наступает новая технологическая революция в электронике: элементарные устройства выходят на уровень молекул. Развитие этого направления в ближайшие 10—20 лет приведет к созданию новых типов вычислительных и информационных устройств — молекулярных компьютеров. В перспективе они могут быть в миллиарды раз эффективнее и производительнее существующих вычислительных устройств, основанных на кремниевых транзисторах. Согласно прогнозам аналитиков, рынок органической электроники увеличится с нескольких миллиардов долларов в настоящее время до 48 в 2017 г. и достигнет порядка 300 млрд в 2027 г.
Органическая электроника — одно из самых новых и перспективных направлений, объединяющих физику твердого тела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химию, она ставит своей целью перевод электронных устройств на новую элементную базу. В этой области работают практически все ведущие научные центры и многочисленные фирмы в развитых и развивающихся странах. Небольшой коллектив Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси около 12 лет занимается исследованиями в этом направлении в кооперации с сотрудниками Белорусского государственного университета, Белорусского государственного технологического университета, Института химии новых материалов, Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, а также с зарубежными исследователями. Нами накоплен огромный уникальный опыт в этой сфере и получен ряд новых научных результатов мирового уровня как фундаментального, так и прикладного характера. Все они имеют и практическое значение, поскольку позволяют прогнозировать необходимые для электроники свойства молекул, осуществлять их целенаправленный синтез. Среди чисто прикладных разработок — электролюминесцентные структуры и материалы, полученные путем целенаправленного синтеза из дешевого отечественного сырья, катодолюминесцентные материалы, сенсоры, новый способ создания проводников на основе органических нанокомпозитов. Все эти достижения — хорошая основа для широкомасштабного развития органической электроники.
К сожалению, отечественная промышленность не приступала к освоению этого направления, и по этой причине наши исследования пока не востребованы в Беларуси. Надеюсь, что это произойдет в ближайшем будущем. Следует углублять и расширять производство элемент¬ной базы для электроники, что позволит ей стать по-настоящему высокотехнологичной. Для расширения изысканий необходимо привлекать новые силы, переориентировать деятельность ученых, работающих с органическими материалами по неперспективным направлениям, обеспечить научные учреждения новым оборудованием. Этому бы способствовала и подготовка отдельной государственной программы. Организация широких исследований и производства не потребует слишком больших вложений, а отдача ожидается очень высокой.

Литература
1. Кухто А.В., Электролюминесценция тонких пленок органических соединений (обзор) // Журн. прикл. спектр. 2003. Т. 70. №2. С. 151—176.
2. Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-Volume Set), Ed. Nalwa H.S. American Scientific Publishers, 2008.
3. Kukhta A.V., Kukhta I.N., Kolesnik E.E., Stupak A.P., Olkhovik V.K., Vasilevskii D.A., Galinovskii N.A., Javnerko G.K. Spectroscopic and morphological properties of dibenzoxazolylbiphenyl thin films //
J. Fluorescence. 2009. V. 19. Р. 989—996.
4. Кухто А.В. Элементарные процессы взаимодействия низкоэнергетических электронов с органическими электроактивными молекулами // Нанотехнологии: наука и производство. 2009.
Т. 3. С. 34—41.