Введение. 11 страница

Рисунок 8.4 – Процесс реверсирования солитонов

Наряду с солитонами в молекулярной системотехнике используются процессы переноса электронов по цепочкам различных циклических молекул, даже разделенных зазором до 1 нм. Электроны туннелируют по молекулам, переходя в соседние молекулы за время ~10^-10 ÷ 10^-12 с. Основным эффектом при этом является быстрое резонансное и одновре­менно однонаправленное туннелирование за счет того, что уровень для лишнего электро­на в каждой последующей молекуле на 0,1 4- 0,2 эВ ниже, чем в предыдущей. Эффект быстрого резонансного туннелирования проявлялся в континуальных молекулярных средах, у которых молекулы в цепочке подобраны так, что энергия электрона, поляризовавшего одну молекулу, равна энергии электронного уровня другой, не поляризованной молекулы. Другими словами, цепочка молекул должна строиться так, чтобы энергии уровней для лишнего электрона снижались на 0,1—0,2 эВ.

В ленгмюровских пленках с помощью света можно возбудить экситоны, представляющие собой мигрирующее электронное возбуждение, не связанное с переносом электрического заряда и массы.

В качестве динамической неоднородности можно использовать один электрон. Это позволяет достичь энергетического предела, минимизировать энергию на одну информационную операцию. Если между отдельными молекулами создать разность потенциалов V, а энергетический барьер по полю составляет

Е_пр=Е_ср,

то в обратном направлении этот барьер будет определяться величиной

Е_пр=Е_ср+eV,

где е — заряд электрона. Барьер одновременно будет препятствовать движению электрона в обратном направлении. Однако использование только одного электрона накладывают значительные ограничения на "одноэлектронику".

8.1.2. Континуальные среды

Ленгмюровские пленки представляют собой многофункциональную континуальную среду. На основе пленок Ленгмюра — Блоджетт (ЛБ) можно создать молекулярно-гладкую континуальную среду со свойствами проводника, подзатворного диэлектрика, плазмостойкого резистора, пироэлектрика и биосенсора (рис. 8.5).

Рисунок 8.5 – Высаживаемые на различные подложки пленки Ленгмюра — Блоджетт, состоящие из разного типа молекул (а, б, в, г), и создание континуальных сред на их основе (д)

На рис. 8.6 показаны структуры ряда синтезированных органических полимеров.

Весьма перспективной средой для функциональной молекулярной электроники являются органические полимеры. Они состоят из цепочки слабосвязанных молекул с частично заполненными зонами валентных электронов.

Рисунок 8.6 – Структуры полимерных континуальных сред: а — полиэтилен (трансформа); 6 — полиэтилен (цисформа); в — полипролл; г — полифинилен

Квазиодномерный органический полимер полиацетилен может быть легирован донорами (K, Na, Li) и акцепторами (Br, AsF₅, PF₆), и имеет слабое взаимодействие электронов с решеткой.

Цепочки образуют поликристаллические волокна диаметром 20 нм. Пленка полиацетиле­на представляет собой переплетенные волокна (паутина). Различают две модификации полиацетилена: цис- и трансизомеры. Полиацетилены могут быть получены в виде моле­кулярных кристаллов диацетилена (мономера).

Возможно получение пленок из поликристаллов полиацетилена. Полипролл представляет собой пленки с локальным кристаллическим порядком. В них можно осуществить регулярность в расположении легирующих примесей и стехиометричность состава легированных материалов. Полифинилены существуют в виде порошков и пленок. Это далеко не полный перечень сред. Число известных синтезированных органических веществ превысило пять миллионов.

8.1.3. Другие элементы приборов

Динамическими неоднородностями типа электронов и солитонов можно управлять. В молекулярной системе, в которой двойная связь является частью большой полиацетиленовой цепочкой, под воздействием поляризованной фотоактивации включается процесс переноса электронов (рис. 8.7). При прохождении солитона (см. нижнюю цепочку) фото-активационный процесс становится невозможным.

Рис. 8.7 – Молекулярный детектор солитонов

Другими словами, солитон включает реакцию внутреннего переноса заряда, а изменения в спектре поглощения олефина может служить детектором, регистрирующим прохождение солитона.

Генерация солитонов осуществляется в процессе протонного туннелирования, например, между вторичным анином и кетонной группой трансполиацетилена в присутствии электрического поля.

Итак, показана возможность генерации, управления и детектирования солитонов. Солитон, являясь динамической неоднородностью, способен переносить информацию; с его помощью можно и хранить информацию.

8.2. Молекулярные устройства

Хранение бита информации в солитонной памяти определяется наличием или отсутствием солитона, а число хранимых битов зависит от скорости распространения солитона и длины сопряженного полимера (рис. 8.8). Сопряженный полимер связывает генератор солитонов (ГС) и электронный туннельный переключатель (ТП). Показана возможность накопления четырех битов информации. При одновременном прибытии положительного и отрицательного солитонов срабатывает туннельный переключатель. Солитонные устройства памяти не имеют высокого быстродействия, однако, отличаются высокой плотностью хранения информации. Оценки показывают, что если расстояние между солитонами составляет ~ 200 Ǻ, а расстояние между центрами цепочек ~ 50 Ǻ, то информационная емкость близка к ~ 10¹⁸ бит/см³.

Рисунок 8.8 – Схема устройства памяти, реализованная на солитонах

В устройствах памяти могут быть использованы и пленки Ленгмюра_:— Блоджетт. Каждая молекулярная система имеет свою частоту поглощения. Запись информации осуществляется избирательно в ансамбль молекул трехмерной молекулярной пленки с помощью лазерного излучения определенной частоты. Считывание информации осуществляется за счет обратных физических явлений. Использование свойств молекулярных структур позволяет создать трехмерные запоминающие устройства высокой информационной емкости.

Существуют различные идеи построения молекулярных компьютеров. Их микросборка, например, может быть осуществлена химическим осаждением из газовой фазы. Последовательность химических превращений при создании молекулярной вычислительной машины рассчитывается по заданному алгоритму.

В итоге к базовой молекуле добавляются все новые и новые звенья, формируются проводники, изоляторы, вентили, компоненты вычислительных устройств. Так, например, размер молекулярного вентиля может быть меньше одной сотой микрометра, а плотность сборки может достичь 10¹⁸ вентилей/см³.

Процессор и память гипотетического молекулярного компьютера занимают объем ~ 1 см² и монтируются на криостате, который предотвращает нагрев контактов и снижает химическую активность молекул. Для уменьшения количества межсоединений предусматривается использование оптических каналов для ввода-вывода информации. Обработка информационных массивов молекулярными системами имеет ряд особенностей, среди которых важнейшими являются:

§ гигантский параллелизм переработки информации;

§ высокая эффективность преобразования информации;

§ значительная информационная сложность исходных операций;

§ способность к изменчивости и эволюции молекулярных компонентов устройств переработки информации и эволюционному обучению (самообучению) устройств;

§ динамические механизмы переработки информации, основанные на сложных нелинейных процессах.

Другим примером высокой производительности может служить процессор, реализованный на пленках Ленгмюра — Блоджетт. На таких пленках можно создать молекулярные системы с высокой степенью параллелизма обработки информации и большой вычислительной мощностью.

В качестве примера приведем идею сложения двух образов, проецируемых на искусственную мембрану типа ленгмюровской пленки со встроенными молекулами фотоактиви-руемого фермента (динамические неоднородности). В этом случае выходной сигнал, представляющий собой концентрацию продукта ферменто-активной реакции, будет пропорционален сумме оптических сигналов на входе системы.

Оценки показывают, что при поверхности пленки ~ 1 см² и при разрешающей способности 10 мкм число ячеек составит 10⁶. Каждая ячейка будет содержать ~ 10⁴ ÷ 10⁵ молекул фермента при 1% заполнении поверхности. Если оценить время операции в одной ячейке даже ~ 10^-2 с, то, учитывая высокую степень параллелизма обработки информации (~ 10⁶), эффективное время одной операции составит ~ 10^-8с. Другими словами, обработка боль­ших информационных массивов методами ФЭ позволяет предельно распараллеливать информацию в процессе ее обработки. Современные компьютеры не имеют такой производительности при обработке больших массивов информации.

8.3. АВтоволновая электроника

Особое место в молекулярной электронике занимают перспективные идеи автоволновой электроники.

В автоволновой электронике изучаются процессы, происходящие в неравновесных открытых кинетических системах, которые проявляются в виде разнообразных нелинейных автоволн, стационарных пространственных структур, стратов, доменов и других типов динамических неоднородностей.

Наибольший, пожалуй, интерес представляют собой автоволны—, класс нелинейных волн, распространяющихся в активных континуальных средах за счет запасенной энергии. Следует особо подчеркнуть, что автоволны распространяются в средах, в каждом локальном объеме которых осуществляется независимая накачка энергии (равно как и вещества) и имеется диссипативный сток для отработанных "продуктов" накачки (рис. 8.9).

Рисунок 8.9 – Типы автоволновых процессов: 1 — плоский волновой фронт огибает препятствие; 2 — спиральные волны; а — двумерная среда, б—вращающийся свиток, в — вихревое облако

В качестве континуальных сред в устройствах автоволновой электроники используются активные распределенные среды, в которых возможна реализация большого числа самозадерживающихся нелинейных пространственно-временных возбуждений. К таким средам можно отнести биологические активные мембраны, мышечные волокна, нейронные сети, распределенные биохимические среды, а также некоторые сообщества живых организмов.

Генератором динамических неоднородностей автоволновой природы являются: импульсы внешней накачки, различные флуктуации.

Автоволны способны аннигилировать при столкновении двух встречных волновых фронтов, не отражаются от препятствий и границ среды, однако дифрагируют на препятствиях в соответствии с принципом Гюйгенса. Различают плоские и спиральные волны (рис. 8.9).

Управление автоволновыми процессами может осуществляться с помощью тепловых полей, локальным энергетическим воздействием, введением дополнительной массы вещества.

Автоволновые среды обладают свойством ассоциативной памяти. Это обусловлено рядом причин, среди которых важной является отсутствие локальной пространственной адресации записываемой информации. Адресация и считывание возможны только по содержанию информации, по характерным признакам. Автоволновые среды способны регистрировать предысторию своего функционирования путем накопления определенных качеств или свойств в материале. Такие среды обладают распределенной памятью и способны к обучению под воздействием внешних условий.

Реализация памяти с использованием автоволновых процессов происходит по следующей схеме. В сосуде 1 находится вещество 2 и его расплав 3 (рис. 8.10). В режиме записи (рис. 8.10, а ) опорный источник создает однородный поток тепла. Возникший градиент
температуры возбуждает в диссипативной автоволновой среде конвективные ячейки.

Если на опорную матрицу воздействовать тепловым сигналом от источника В, то произойдет перестройка потоков, адекватная информационному воздействию потока В. Возникнет структура, описывающая поверхность изотермы плавления . Эта структура характеризует структуру конвективных потоков, интенсивности тепловых выбросов и т. д. Другими словами, можно изготовить копии рельефа в виде а·b. Таким образом реализуется память.

Рисунок 8.10 – Схема ассоциативной памяти: а — запись; б— воспроизведение структуры

Ассоциативное восстановление можно провести по схеме рис. 8.10, б. Условия неравновесности создаются источником А, а дополнительным организующим фактором структура рельефа . Достижение комплементарного соответствия вложений . и . является актом распознавания образа. Этот метод имеет некоторое сходство с волновой голографией, а именно — реализуется в опорную упорядоченность в условиях самоорганизации.

Можно ожидать, что в дальнейшем исследования будут развиваться с использованием синергетического подхода к поведению автоволновых сред. Под синергетикой будем понимать процессы, происходящие в системах, состоящих из многих подсистем самой различной природы, например, электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, фотоны, животные организмы. Такие структуры возникают в процессах самоорганизации, переходов типов "беспорядок—порядок", "порядок—порядок" и т. п.

Введение.

Любое вещество состоит из мельчайших частиц, которыми являются молекулы. Они связаны между собой силами взаимного притяжения и отталкивания и поэтому находятся в непрерывном движении. Как все движущиеся вещества, имеющие массу, молекулы обладают кинетической энергией движения. Кроме этого молекулы обладают и потенциальной энергией, обусловленной их силами сцепления и взаимного расположения. Сумма кинетической энергии хаотического движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия называется внутренней энергией вещества.

В природе энергия от одного тела к другому может передаваться с помощью механического или теплового взаимодействия. При механическом взаимодействии тел передача энергии осуществляется за счет работы механических или электромагнитных сил. Тепловое взаимодействие обусловлено передачей энергии хаотическим движением молекул за счет теплопроводности или теплового излучения.

Количество энергии, переданное или полученное при тепловом взаимодействии тел, называется количеством теплоты или просто теплотой. Увеличение средней скорости хаотического движения молекул вызывает повышение кинетической энергии, а значит и увеличение внутренней энергии вещества. Уменьшение средней скорости хаотического движения молекул вызывает снижение кинетической энергии, а значит и уменьшение внутренней энергии вещества. Повышение или уменьшение внутренней энергии влияет на относительную нагретость вещества, т.е. не его температуру. При подводе к веществу теплоты его внутренняя энергия возрастает, вещество нагревается и температура повышается. Отвод теплоты от вещества приводит к уменьшению его внутренней энергии, охлаждению и снижению температуры.

Теплота – это одна из форм передачи энергии. Она может быть преобразована в другие виды энергии, например в механическую или электрическую. И наоборот, все виды энергии могут быть превращены в тепловую энергию.

Физическая природа теплоты и холода одинакова. Теплота и холод условные понятия относительно какой-либо фиксированной температуры. Например, для двигателя автомобиля атмосферный воздух с температурой +30 ^оС является холодным, а человеком он воспринимается как теплый.

К низкотемпературному диапазону относится диапазон температур от температуры окружающей среды до температуры абсолютного нуля. В свою очередь он делится на область умеренного холода и область глубокого холода.

Впервые понятия теплоты и холода были даны более двухсот лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым в его труде «Размышления о причинах теплоты и холода» (1747 г.). Ломоносов писал: «Природа тепла и холода одинакова, а сами понятия относительны».

Этот постулат лежит в основе современного определения понятия «холод», как теплоты, отводимой от тела, температура которого ниже окружающей среды. Сам процесс отвода теплоты называют охлаждением.

Холодильная техника (а в контексте вашей специальности - Холодильные процессы и оборудование производства) занимается изучением вопросов, связанных с охлаждением самых различных тел и поддержанием температуры в пространстве или веществе нижетемпературы окружающей среды.

Если температура тела вышетемпературы окружающей среды, такое тело называют горячим, теплым или нагретым, а самопроизвольное понижение его температуры до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением.

Понижение температуры тела нижетемпературы окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само тело называют холодным.

Искусственное охлаждение можно осуществлять двумя способами машинным и безмашинным:

Безмашинный способ охлаждения - охлаждение с помощью другого вещества (тела), имеющего более низкую температуру, или передачей тепла при изменении агрегатного состояния холодного тела (охлаждение водным льдом);

Машинный способ охлаждения - охлаждение с помощью специальных охлаждающих устройств - холодильных машин и установок.

Холодильная машина – комплекс технических средств, при помощи которого осуществляется процесс отвода тепла от менее нагретого тела к более нагретому за счет совершения внешней работы.

Холодильная установка представляет собой совокупность холодильных машин, аппаратов и сооружений, предназначенных для производства и применения искусственного холода.

В этом смысле холодильная установка в дополнение к четырем основным элементам, составляющим холодильную машину (или в дополнение к основным элементам систем безмашинного охлаждения), включает в себя еще аппараты, приборы, трубопроводы и даже сооружения, необходимые как для совершения технологических процессов при низких температурах, так и для рациональной эксплуатации холодильного оборудования при длительном промышленном использовании.

Впервые в мире искусственным путем низкая температура (-40 °С) была получена М. В. Ломоносовым в 1759 г. в результате смешения водного льда с азотной кислотой.

Первая парокомпрессионная холодильная машина была создана в Англии Джекобом Перкинсом в 1834 г. Она работала на этиловом эфире и из-за его легкой воспламеняемости практического применения не нашла.

Первый патент на аммиачную холодильную машину был выдан в Англии в 1872 г. Бойлю. Примерно в то же время в Германии аммиачная машина была создана Карлом Линде, который с 1876 г. начал их промышленный выпуск.

До 1917 г. в России холодильные машины не выпускались, но известно, что в 1888 г. на Астраханских рыбных промыслах рыбопромышленником
Г. О. Супуком была построена баржа для замораживания и перевозки рыбы с использованием воздушных холодильных машин английской фирмы «Лайтфут». Воздушные машины «выдавали» воздух с очень низким влагосодержанием, что приводило к большой усушке рыбы, достигавшей 15%, а также к снижению ее качества. Поэтому от воздушных машин отказались и стали применять парокомпрессионные холодильные машины, которые широко используют и в настоящее время.

Первая в дореволюционной России холодильная установка произ­водительностью 116 кВт, с импортным оборудованием, была смонтирована на Трехгорном пивоваренном заводе в Москве в 1889 г.

В 1913 г. в России были уже 343 холодильные установки общей производительностью 37600 кВт.

К концу 1929 г. общая емкость холодильников в СССР была более
90 тыс. т, 80% которой составляли распределительные холодильники и 20% - производственные.

В 1931 г. были созданы специальные проектные институты: Мясохладстрой и Гипрохолод в Москве. В 1932 г. в Москве был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт холодильной промышленности (ВНИХИ), а в Ленинграде - учебный Ленинградский холодильный институт, положивший начало широкой подготовке инженерии холодильщиков для различных отраслей промышленности.

С этого времени холодильная промышленность стала развиваться в СССР достаточно быстро. В 1987 г. общая емкость холодильников была 7,73 млн. т, что соответствовало 3-му месту в мире. Также третье место к мире СССР занимал и по выпуску мороженого - 550 тыс. т в год.

Созданием отечественного холодильного оборудования занималась Всесоюзная проектно-монтажная контора (ВПМК), переименованная в 1950 г. в ЦКБХМ. Опытные образцы оборудования испытывались во ВНИХИ. В 1964 г. ЦКБХМ было переименовано во ВНИИХолодмаш, который руководил созданием в СССР холодильных машин средней и большой производительности для всех отраслей народного хозяйства, наземного и водного транспорта.

Кроме первого в стране московского завода «Компрессор», выпускавшего машины большой производительности, в 1950 г. выпуск аммиачных и фреоновых компрессоров средней производительности был начат в Одессе на ОЗХМ.

Фреоновые компрессорно-конденсаторные агрегаты малой и средней производительности после Великой Отечественной войны стал выпускать Мелитопольский завод холодильного машиностроения им. 30-летия ВЛКСМ.

В 60-х гг. производство холодильных машин было начато на Черкесском заводе холодильного машиностроения, вначале аммиачных, а с 1970 г. - фреоновых.

Выпуск турбокомпрессоров был освоен на Казанском компрессорном заводе в 1960 г. по разработкам ЦКБХМ совместно с МВТУ.

В 1973 г. был создан первый винтовой компрессорный агрегат для работы на фреоне-22. Эти агрегаты, производительностью 125 кВт, предназначались для судовых рыбоморозильных установок, работавших при температуре кипения хладагента -40 "С.

Серийный выпуск малых фреоновых холодильных машин с открытыми (сальниковыми) поршневыми компрессорами был начат в 1948 г. на Харьковском заводе «Механолит», затем ХЗХМ. Позднее агрегаты типа ФАК стал выпускать и Ярославский завод - ЯЗХМ. С 1951 г. малые фреоновые холодильные агрегаты с ротационными компрессорами начал выпускать Рижский завод «Компрессор».

В 1953 г. в ХОКБ при научном руководстве ВНИХИ (В. Б. Якоб­сон) были разработаны и стали выпускаться ХЗХМ агрегаты с бессаль-никовыми поршневыми компрессорами. С 1960 г. агрегаты малой производительности с бессальниковыми компрессорами заменили агре­гаты с герметичными компрессорами, выпуск которых был также ос­воен на ХЗХМ, позднее на ЯЗХМ.

Фреоновые агрегаты малой производительности с ротационными герметичными компрессорами в 1963 г. начал выпускать Рижский за­вод «Компрессор».

Торговое холодильное оборудование (прилавки, витрины, шкафы) вначале (1948-1950 гг.) выпускалось на ХЗХМ. Позднее его массо­вое производство было освоено Марийским заводом холодильного машиностроения в г. Йошкар-Ола, а также, в меньших количествах, в Свердловске, Киеве и на Люберецком заводе в Московской области.

Теперь АНПО «МАРИХОЛОДМАШ» - ведущий производитель торгового холодильного оборудования в России (см. ХТ №2 за 1994 г.).

Первые бытовые холодильники емкостью 120 л были выпущены в 1937-39 гг. Харьковским тракторным заводом. Хладагентом был ядовитый сернистый ангидрид, поэтому их было выпущено до 1940 г. всего 3500 шт.

За рубежом в это время уже широко использовали фреон-12 и с 1949 г. холодильники с фреоновыми машинами стали выпускать на Мо­сковском автомобильном заводе ЗИС, впоследствии ЗИЛ. С 1951 г. бы­товые холодильники стали выпускать в Саратове, Юрюзани, Орске, Ба­ку и Кишиневе.

С 1963 г. выпуск холодильников более совершенной конструкции (второго поколения) типа «Атлант» был освоен по французской лицен­зии в Минске.

В 1970 г. массовый выпуск холодильников «Бирюса» был начат в Красноярске.

В 1989 г. общий выпуск холодильников в СССР составлял 6 млн. 465 тыс. шт.

По данным ХТ №6 за 1992 г., всего в мире в 1990 г. выпускалось примерно 50 млн. бытовых холодильников.

В настоящее время холодильные машины применяют в системах комфортного и технологического кондиционирования воздуха.

В машиностроении и приборостроении холодильные установки всех типов используют для испытаний при низких температурах машин и аппаратов, предназначенных для работы в северных районах.

В строительстве холодильные установки используют для замораживания грунтов при подземных работах (метро), при строительстве туннелей, плотин и др.

Широко используют искусственный холод в химической, газовой и нефтяной промышленности при производстве пластмасс, синтетическо-I о каучука, сжиженного природного газа и др.

Без использования искусственного холода были бы невозможны успехи в современной науке, развитии электронно-вычислительной техники и др.

Особо значительна роль искусственного холода в медицине для сохранения крови, кожи и других органов, используемых для пересадки, а также для искусственного понижения температуры человеческого тела (гипотермия) при операциях.

Кроме того (куда ж без этого) современные достижения в спорте (коньки, хоккей, фигурное катание) стали возможны лишь с использованием искусственных ледяных полей.

Однако, главным потребителем холода является все же пищевая промышленность. Воздействие холода на пищевые продукты, по сравнению с другими методами консервирования, вызывает минимальные изменения их основных свойств: питательной ценности, вкуса, массы, внешнего вида. В общемировом масштабе наблюдается дефицит продуктов питания, обусловленный, прежде всего, ростом населения ряда стран, многие из которых не в состоянии обеспечить себя необходимым рационом питания. В то же время, по данным Международного института холода, ежегодно теряется до 30% (около миллиарда тонн) всех производимых в мире продуктов.

Основные продукты питания человека – мясо, рыба, молоко, яйца, овощи, фрукты – относятся к скоропортящимся продуктам. Высокое содержание влаги в этих продуктах создает условия для интенсивного развития микробиологических и биологических (ферментативных) процессов. Под действием микроорганизмов и тканевых ферментов происходит процесс распада сложных органических веществ, являющийся основной причиной порчи пищевых продуктов.

Существует много способов консервирования (т.е. сохранения) продуктов, основанных на воздействии различных, химических и биологических факторов, влияющих на активность микроорганизмов и тканевых ферментов: сушка, соление, вяление, квашение, копчение, пастеризация, стерилизация, обработка холодом и др.

Лучшим способом консервирования является тот, при котором возможно более длительное хранение продукта с наименьшими потерями пищевой ценности и массы. Этим требованиям в наибольшей степени отвечает применение искусственного холода.

Объяснением тому является тот факт, что температура среды существенно влияет на активность, скорость роста и размножения, продолжительность жизни микроорганизмов. Причем одни микроорганизмы проявляют наибольшую активность при более низких температурах, другие – при более высоких. В связи с этим, микроорганизмы, составляющие микрофлору сырых пищевых продуктов, разделяют на три группы: психрофильные (психрофилы), мезофильные (мезофиллы) и термофильные (термофилы). Температурный диапазон активности перечисленных микроорганизмов приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Температурный диапазон активности микроорганизмов