MEHANI Č KE KARAKTERIS TIKE MATERIJALA BIOMATERIJALI NOVI MATERIJALI I PRIMENE

1. Еlektrotehnički fakultet, Beograd Materijali u elektrotehnici MEHANIČKE KARAKTERISTIKE MATERIJALA BIOMATERIJALI NOVI MATERIJALI I PRIMENE 28.12.2010.

2. MEHANIČKA ISPITIVANJA SA RAZARANJEM • Ispitivanja statičkim dejstvom sile • zatezanjem, utiskivanjem, puzanjem, savijanjem, izvijanjem, uvijanjem, smicanjem • Ispitivanja dinamičkim dejstvom sile • utiskivanjem, udarom, zamaranjem • Tehnološka ispitivanja • izvlačenjem limova, savijanjem, naizmeničnim previjanjem, uvijanjem ili namotavanjem žice, kovanjem, sabijanjem, određivanjem sposobnosti lemljenja

3. Ispitivanje zatezanjem Zavisnost F(l) zavisi od dimenzija epruvete, pa zato ne predstavlja karakteristiku samog materijala. Rezultati testa važiće za sve veličine i oblike epruveta datog materijala ako se umesto sile prikazuje tehnički napon (σ), a umesto dužine jedinično izduženje (ε): Kidalica sa epruvetom, za ispitivanje zatezanjem

4. Pri dizajniranju komponente treba voditi računa da se ona neće plastično deformisati. Zato mora da se odabere materijal koji ima visoku granicu elastičnosti da bi primenjena sila proizvela napon ispod granice elastičnosti.S druge strane, ako se izrađuju oblici ili komponente nekim procesom plastične deformacije, primenjeni napon mora da prevazilazigranicu elastičnosti da bi se proizvela stalna promena oblika materijala. Dijagrami napon-jedinično izduženje za (a) elastično-plastične, (b) plastične i (c) krte materijale

5. Hukov zakon elastičnosti: σ = EYε Elastičnost ~ 1/EY Krutost~EY Plastičnost ~εk Čvrstoća ~σe Tvrdoća ~σm (otpornost na utiskivanje) Žilavost ~ površini ispod krive σ(ε) (otpornost na udarna opterećenja) Krtost ~ 1 / Žilavost (za detalje videti odeljak 5.7.1. Ispitivanje zatezanjem u knjizi prof. Rakovića)

6. Ispitivanje tvrdoće Brinelov test Brinelov test tvrdoće Rokvelov i Vikersov test Ispitivanje žilavosti Žilavost po Šarpiju definiše se kao rad koji je potrebno utrošiti po jedinici površine poprečnog preseka epruvete, da bi se epruveta kvadratnog poprečnog preseka, slomila jednim udarom. Šarpijev test žilavosti

7. INŽENJERING MEHANIČKIH KARAKTERISTIKA MATERIJALA • Inženjering mehaničkih karakteristika metala(kontrolom kretanja dislokacija u metalu pri deformaciji – drugim dislokacijama, granicama zrna, tačkastim defektima i granicama faza) može se postići: • (1) hladnom deformacijom (kontroliše se broj dislokacija, kao i veličina i broj polikristalnih zrna u metalu); • (2) termičkom obradom i legiranjem (kontroliše se veličina i oblik zrna, broj tačkastih defekata, i/ili finoća i raspodela različitih faza metalnih legura).

8. Inženjering mehaničkih karakteristika materijala hladnom deformacijom • Ojačavanje hladnom deformacijom ostvaruje se umnožavanjem dislokacija, koje se pojavljuju kao prepreke kretanju drugih dislokacija, odnosno deformaciji metala. • Istovremeno se metal oblikuje i ojačava. • Specifična električna provodnost neznatno se smanjuje, dok se čvrstoća znatno povećava (za razliku od slučaja legiranja metala primesama): zato se bakar i aluminijum isključivo ojačavaju procesom deformacije na hladno (izvlačenje žica). • Unose se anizotropija i zaostali naponi. • Žarenje je termički tretman kojim se delimično ili potpuno eliminišu efekti deformacije na hladno, čime se prethodno hladno deformisani metal vraća u manje ili više meko, plastično stanje. Time se kontroliše stepen ojačavanja metala.

9. Inženjering mehaničkih karakteristika keramika(kontrolom kretanja pukotina u keramici pri deformaciji –postizanjem maksimalne gustine, povećanjem broja mikropukotina) • Inženjering mehaničkih karakteristika polimera(kontrolom kretanja lanaca u polimeru pri deformaciji –sintezom dužih lanaca, rastezanjem lanaca,kristalizacijom polimera, umrežavanjem polimernih lanaca) • Inženjering mehaničkih karakteristika kompozita(kontrolom kretanja dislokacija,pukotinaili lanacapri deformaciji –u žilavoj matrici čestičnih, vlaknastih ili slojevitih kompozita)

10. BIOMATERIJALI • Biomaterijali obuhvataju široku klasu materijala za primenu u medicini i stomatologiji: metalne biomaterijale, keramičke i staklaste biomaterijale, ekonomične i skuplje nedegradabilne sintetičke polimere, kompozitne biomaterijale, biodegradabilne polimere, bioderivativne polimere i tkiva, pasivne i bioaktivne prevlake. • Oblast biomaterijala doživela je veliku ekspanziju u poslednje tri decenije. Tokom ovog perioda pokazala se plodotvornom multidisciplinarna saradnja specijalista iz različitih oblasti: medicine, biologije i tehnologije materijala, uz primenu biomaterijala sa specifičnim zahtevima. Danas postoje mnoga univerzitetska odeljenja i nastavni programi posvećeni biomaterijalima, kao i centri za istraživanje i inženjering biomaterijala. Paralelno sa istraživanjima i edukacijom, razvilo se na hiljade kompanija za implementaciju biomaterijala u biomedicinske naprave, lekove i pribor. • Procenjuje se da tržište biomaterijala vredi oko 100 milijardi dolara samo u SAD, dok Japan zbog eksponencijalnog rasta tržišta biomaterijala čak ugrožava SAD, a i Evropska unija investira veliki novac u ovu oblast.

11. Mnogobrojni biomaterijali i medicinski pribor danas se uobičajeno koriste kao implantati u dentalnoj, ortopedskoj, kardiovaskularnoj, oftalmološkoj, i rekonstruktivnoj hirurgiji. Uspešno se upotrebljavaju i u intervencijama, kao što su angioplastika (stentovi) i hemodijaliza (membrane), za medicinski pribor, kao što su hirurški konci ili bioadhezivi, kateteri, konektori, cevi, kutije i kućišta, ali i kao naprave zakontrolisano oslobađanje lekova. Većina implantata dobro služi njihovim nosiocima za određeni period u svrhu za koju su i namenjeni. • Međutim, neki implantati i vantelesne naprave neizostavno stvaraju komplikacije, bilo kao posledica zapaljenja, infekcije, interakcije u vidu neželjenih (alergijskih ili toksičnih) reakcija, ili usled zatajivanja rada naprava, što može prouzrokovati razne štetne posledice (tromboza ili tromboembolija), pa čak i smrt nosioca (masivni infarkt). Komplikacije su najčešće rezultat interakcija biomaterijal-tkivo, koje se javljaju na mestu ugradnje svakog materijala, mada mogu imati i sistemski ili opšti karakter. Efekti implantata na tkivo domaćina i živog tkiva na implantat podjednako su važni i za izbegavanje mogućih komplikacija i za sprečavanje lošeg rada ili otkazivanja naprava.

12. PRIMENA BIOMATERIJALA • Generalno, za primenubiomaterijalaosnovni zahtevi koji se postavljaju su: biokompatibilnost sa tkivom, mehanički kontinuitet sa okolnim koštanim tkivom, netoksičnost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji, i što niža cena. • Pored toga, za specifične primenedodatni zahtevisu: bioaktivnost (za ubrzavanje rasta prelomljene kosti, regeneraciju pokidanog nerva, sprečavanje upalnih procesa, ...), biodegradacija (hirurškog konca, naprava za fiksiranje u rekonstruktivnoj hirurgiji, "kostura" za ćelije koje regenerišu oštećene ili obolele organe, kapsula za kontrolisano postupno oslobađanje lekova u telu, ...), otpornost na infekcije (posebno na mestima prodora naprave kroz kožu: kateteri, dovodi za napajanje veštačkog srca krvlju, ... - što se sprečava inkorporiranjem antimikrobnih hemikalija i antibiotika u takvim biomedicinskim napravama), trombootpornost (za naprave u kontaktu sa krvlju: veštačke arterije, srčani zalisci, ... - što se postiže kontrolom površine naprava, bioaktivnim slojevima, ...), propustljivost i difuzibilnost (membrana vantelesnih naprava i veštačkih organa, ...)

13. U Tabeli 7.1 je dat pregled biomaterijala i njihovih primena. Metalni biomaterijali (v. Tabl. 7.1) klasični su biomaterijali od kojih najbolja svojstva imaju Ti i Ti-legure, zbog odlične otpornosti na koroziju, biokompatibilnosti i manje krutosti (koja omogućava najbolji prenos mehaničkih naprezanja njihovih implantata na kosti), dok TiO2 na površini ima bioaktivna svojstva i indukuje rast nove kosti. Odlična mehanička i biokompatibilna svojstva imaju i CoCr-legure, dok se nerđajući čelici danas napuštaju zbog nedovoljne otpornosti na koroziju, i efekata hipersenzitivnosti organizma na Ni izdvojen iz čelika. Keramički i staklasti biomaterijali (v. Tabl. 7.1) imaju bioaktivna svojstva, indukujući rast nove kosti, pa se često primenjuju kao prevlake na Ti ili Ti-legurama, jer su same keramike relativno krte i neotporne na mehaničke udare! Ipak, tamo gde nema značajnih dinamičkih opterećenja primenjuju se i za koštane implantate, posebno gde se zahteva velika tvrdoća i otpornost na habanje (zglobovi veštačkog kuka). Posebno treba istaćiugljenične materijalezbog izrazito visoke biokompatibilnosti, inertnosti i stabilnosti.

14. Ekonomični nedegradabilni sintetički polimeri (v. Tabl. 7.1) odlikuju se strukturnom stabilnošću, relativnom biokompatibilnošću i niskom cenom. Skuplji nedegradabilni sintetički polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju poboljšane karakteristike, koje omogućavaju smanjenje lekova, komplikacija i postoperativnog perioda - čime se kompenzira njihova visoka cena. Njihova osobina je i visoka otpornost na mehanički zamor i kidanje. Kompozitni biomaterijali (v. Tabl. 7.1) predstavljaju najinteresantnije biomaterijale za reparaciju koštanog tkiva, od kojih su hidroksiapatit/polimer kompoziti najbliži prirodnom koštanom tkivu, a ako je pri tome polimerna (polilaktidna) matrica bioresorbilna ona ustupa mesto novoformiranom koštanom tkivu, što čini ove kompozite ‘živim’ jer se tokom reparacije razvijaju i menjaju. Značajna klasa su i ugljenični kompoziti, sa izvanrednom kombinacijom mehaničkih svojstava (žilavost i tvrdoća) za stomatološke i ortopedske implantate. Vrlo interesantni su i injektabilni kompoziti za rekonstrukciju tvrdog i mekog tkiva, kao i nanokompoziti zbog minimalne iritacije imunog sistema. Biodegradabilni polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju sposobnost postepene degradacije u telu, sa netoksičnim produktima koji se lako izlučuju.

15. Bioderivativni polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju visoku reproduktivnost i biokompatibilnost. Bioderivativna tkiva (v. Tabl. 7.1) prethodno se procesiraju zbog smanjenja problema odbacivanja stranog tkiva. Primenjuju se zbog visoke biokompatibilnosti, koja međutim vremenom degradira pa dolazi do njihove kalcifikacije; vreme trajanja implantata od ovih materijala je zato ograničeno do deset godina. Pasivne prevlake (v. Tabl. 7.1) poboljšavaju trombootpornost, ubrzavaju zarastanje rana u rekonstruktivnoj hirurgiji mekih tkiva i smanjuju bolničke primene lekova kroz katetere. Bioaktivne prevlake (v. Tabl. 7.1) koriste se zbog trombootpornosti, otpornosti na infekcije, adhezije i rasta kostiju, adhezije mekog tkiva, povećane adhezije ćelija, epitela i endotela - usled modifikacije površine.

16. TABELA 7.1 Pregled biomaterijala i njihovih primena

20. Biomaterijali za veštačku krv (perfluorugljenici, slobodni hemoglobin i lipozomi) takođe pobuđuju posebni interes zbog opasnosti od prenosa virusa (HIV, hepatitis, ...) pri transfuzijama prirodne krvi. Idealna veštačka supstitucija krvi mora zadovoljavati nekoliko potreba: prenosivost kiseonika, univerzalnu transfuzibilnost, viskoznost i koloidne osmotske karakteristikeslične prirodnoj krvi, odsustvo biološkog zadržavanja u organima za filtriranje krvi(jetra, slezina),odsustvo toksičnosti za organe, sterilnost, dugotrajnost skladištenja, laka i efikasna proizvodnja! Glavni problemi materijala za veštačku krv jesu zadržavanje u organimaza filtriranje krvi (što dovodi do njihovog oticanja) i toksičnostza neke organe! Ostaje još dosta teškoća koje treba rešiti do primene veštačke krvi, namenjene pre svega pri velikim operacijama, kada osoba gubi više od 1 l krvi, ili 20-25% od ukupne zapremine.

21. Ekspanzivnim razvojem nanomedicine, primena biomaterijala u bliskoj budućnostimože se očekivati u hibridnim napravama/organima, kao i u kultivaciji organa i tkiva u regenerativne svrhe! Hibridne napravei organi će naći primenu zbog kratkog vremena trajanja totalno sintetičkih organa; ovde bi kostur bio od sintetičkih materijala, a okolno tkivo od kultivisanih ćelija za specifične funkcije. Kultivacija organa je ekstenzija hibridnih organa, sa ciljem potpunog dupliciranja i regeneracije organa kontrolom procesa morfogeneze tkiva. Očekuje se i znatan progres u adaptaciji mikronskih i submikronskih mikroelektronskih tehnologija za razvoj multikanalnih biosenzora, sa primenom u kompleksnom biološkom okruženju – korišćenjem veštačkih nanostruktura (poput nanočestica i nanonaprava) koje mogu kontrolisano interagovati sa biomolekulima istih veličina, kako na površini tako i unutar ćelije (v. Sliku).

22. Nanomedicinaje primena nanotehnologija u zdravstvu, i čine je tri međusobno povezana pravca: (1) nanodijagnostika; (2) regenerativna medicina; (3) ciljana dostava lekova – čije su perspektive razvoja do 2020. godine prikazane u Tabeli. Nanodijagnostika ima konačan cilj identifikovanja bolesti u što ranijoj fazi, idealno na novou jedne ćelije. Da bi se postigao ovaj cilj treba da se preduzmu aktivnosti u istraživanju i razvoju radi poboljšanja efikasnosti in vivo i in vitro dijagnostike. Regenerativna medicina je fokusirana na mehanizme vlastitog oporavka tela u preventivi i lečenju hroničnih bolesti, poput dijabetesa, osteoartritisa i degenerativnih oboljenja kardiovaskularnog i centralnog nervnog sistema, i pomoći žrtvama povreda. Ciljana dostava lekova ima za cilj razvoj novih tehnika dostave lekova radi efikasnijeg transporta leka na mesto bolesti, poboljšane reakcije pacijenata, smanjenja cene zdravstvene nege, ali i zbog identifikovanja novih načina dostave novih klasa medikamenata koji ne mogu biti efikasno dostavljeni konvencionalnim sredstvima.

23. NOVI MATERIJALI I PRIMENE • Silicijumska integrisana kola će prema procenama dostići svoj limit do 2020. godine, kako u pogledu minijaturizacije tako i brzine rada. Zato je veliki istraživački napor poslednjih godina usmeren u pravcu prevazilaženja ovih limita, i to kako sa stanovišta korišćenja novih mikroelektronskih materijala tako i sa stanovišta pronalaska novih principa funkcionisanja aktivnih komponenata. • Sa stanovišta materijala, kao rešenje za prevazilaženje limita brzine rada nametnuo se GaAs i njegove legure, kao i novi materijali velikog energetskog procepa (dijamant, SiC). • Sa stanovišta novih konstrukcija, nameću se nanoelektronska kola (heterospojna, balistička, rezonantna tunelska...), za koja se takođe koriste GaAs i njegove legureali i neki novi materijali. • Osim toga, radikalno rešenje u pogledu materijala i principa funkcionisanja komponenata nameću poslednjih godina i istraživanja u molekularnoj elektronici (provodni polimeri, ugljenične nanotube), koja obećavaju ne samo veće brzine rada već i znatno viši stepen minijaturizacije integrisanih kola.

24. Na slici je dat šematski prikaz poprečnog preseka jednog GaAs integrisanog sklopa, sastavljenog od unipolarnog MESFET tranzistora, otpornika i kondenzatora. GaAs kola su isključivo unipolarna, zbog znatno manje pokretljivosti šupljina u odnosu na elektrone u GaAs. Monolitna GaAs kola dobijaju se, slično silicijumskim, korišćenjem planarnih tehnoloških postupaka. Specifičnosti GaAs tehnologije su: (1) poluizolaciona podloga Cr-dopirana (koncentracije provodnih elektrona ~108 cm-3); (2) protonski bombardovane izolacione oblasti; (3) korišćenje tankoslojnog i veoma kompaktnog Si3N4 za tanke dielektrične slojeve MOS kondenzatora; (4) više složenih nivoa provodnih slojeva (na bazi legura Mo-Au, Ti-Pt-Au i Au-Ge); (5) nedostatak kvalitetnog oksida, zbog čega se koriste JFET unipolarne tranzistorske konstrukcije; (6) korišćenje hemijski deponovanog debljeg sloja SiO2 za izolaciju komponenata po površini pločice.

25. Zbog slabijeg odvođenja toplote sa čipa, GaAs kola teorijski imaju ~ 10 puta niži stepen integracije od Si-kola, mada se u oba slučaja ovaj problem može ublažiti korišćenjem tankih dijamantskih slojeva na donjoj strani čipova radi lakšeg odvođenja toplote. • Ipak, na GaAs-kola otpada samo 0,4% ukupnog obrta novca u mikroelektronici, što je zanemarljivo u odnosu na promet Si-integrisanih kola. Razloge treba tražiti u znatno višoj ceni, ali i mogućnostima primene jevtinijih i slabijih Si-procesora (CMOS i BiCMOS) u paralelnim arhitekturama superkompjutera, što umanjuje potencijalna brzinska preimućstva pojedinačnih velikih GaAs-procesora. • Poslednjih godina intenzivno se proučava mogućnost izrade GaAs- i InP- integrisanih optoelektronskih kola. Do sada se najdalje otišlo u izradi ovih kola na bazi Al1–xGaxAs–GaAs heterospojeva (I generacija optičkih komunikacija) i In1-xGaxAs–InP i (InAs)1–x(GaP)x–InP heterospojeva (II gene-racija optičkih komunikacija), koji omogućavaju izradu laserskih izvora zbog Egdir. Potencijalne prednosti monolitne integracije optičke komunikacione linije jesu niska cena i visoka produktivnost, kompaktnost i pouzdanost, povećanje brzine i protoka informacija, uz smanjenje šuma, i realizacija novih optičkih naprava sa podesivošću njihovih optičkih svojstava.

26. Poluprovodnički materijali velikog energetskog procepa (dijamant, SiC, BN i drugi III–V nitridi) veoma su interesantni zbog potencijalne mogućnosti primene u energetskoj, visokotemperaturskoj i visokofrekventnoj mikroelektronici iz sledećih razloga: • Eg dijamanta (5,6 eV) i SiC (2,86 eV) omogućuju primenu njihovih mikroelektronskih naprava na visokim temperaturama (koje prevazilaze i 600oC), što je znatno bolje od Si i GaAs. Ovo omogućava veći stepen integracije u dijamantskoj i SiC mikroelektronici zbog smanjenog problema hlađenja. Veliki Eg čini ih izuzetno otpornim i na radijaciju. Sve navedene prednosti čine ih glavnim kandidatima za primenu u kosmičkoj mikroelektronici, sa ekstremnim eksploatacionim uslovima. • Ekr za lavinski proboj u dijamantu i SiC znatno prevazilazi 106 V/cm, što je mnogo bolje od 5∙105 V/cm za Si i GaAs. • za elektrone u dijamantu i SiC je veća (~2∙107 cm/s) nego u Si i GaAs, što dodatno doprinosi boljim brzinskim svojstvima ovih materijala. • III–V nitridi su interesantni za optoelektronske primene. Bor nitrid (BN) ima Egind, i od njega su napravljene prve ultraljubičaste LED-diode. Ostali III-V mitridi (GaN, AlN, InN) imaju Egdir i formiraju čvrste rastvore međusobno – što omogućava izradu lasera na bazi ovih materijala u čitavom vidljivom spektru. Oni su zanimljivi i za heterospojne strukture.

27. Znatno brži princip funkcionisanja predložen je razvojem nanoelektronskih heterospojnih, balističkih i rezonantnih tunelskih naprava (superrešetke, kvantne žice, kvantne tačke), korišćenjem novih materijala i tehnologija izrade veoma tankih monokristalnih slojeva. • Jedna od predloženih varijantiheterospojnih tranzistora jeste JFET tranzistor na bazi heterospoja GaAs–Al1-xGaxAs, gde će GaAs imati manji Egod legure Al1-xGaxAs, i to tako da se na energetskoj skali dno provodne zone GaAs nalazi ispod dna Al1-xGaxAs legure. Kako je u ovom tranzistoru Al1-xGaxAs legura n-tipa, a GaAs nedopiran, to će provodni elektroni iz Al1-xGaxAs legure prelaziti na energetski niže dno provodne zone u GaAs u blizini heterospoja, dok će jonizovani donorski centri ostati u kristalnoj rešetki Al1-xGaxAs. Time je postignuto prostorno razdvajanje elektrona od jonizovanih donorskih centara, čime je eliminisano rasejavanje elektrona na jonizovanim primesama. Zahvaljujući tome, na nižim temperaturama, gde je redukovan i fononski mehanizam rasejavanja, pokretljivost Q2D elektronskog gasa u GaAs povećava se oko 10 puta. • Osim velike brzine i gornje granične učestanosti ~ 400 GHz, heterospojni tranzistori imaju i malu disipaciju, a zbog otežanog injektovanja elektrona iz provodne zone GaAs u višeležeću provodnu zonu Al1-xGaxAs ispod drejna (D), imaju i veliku izlaznu otpornost i zato veliko naponsko pojačanje. • Integrisana kola na bazi JFET heterospojnih tranzistora danas su moguća zbog visokorazvijene tehnologije kontrolisanog rasta GaAs i Al1-xGaxAs monokristalnih slojeva, MBE i MOVPE tehnikama. Ipak, za komercijalna heterospojna integrisana kola potrebno je rešiti tehnološke probleme, poput kvalitetnih omskih kontakata metalnih spojeva sa Al1-xGaxAs legurom. • Dodajmo da se danas laboratorijski izrađuju i Si1-xGex–Si heterospojni tranzistori, koje je moguće integrisati i na klasičnim Si-čipovima.

28. Šematski prikaz poprečnog preseka JFET GaAs-Al1-xGaxAs heterospojnog tranzistora. Šematski prikaz poprečnog preseka GaAs vertikalnog balističkog tranzistora.

29. U svim do sada razmatranim kolima provodni nosioci su se kretali kroz aktivnu oblast tranzistora u najboljem slučaju srednjim driftovskim brzinama zasićenja Δvds. Međutim, stvarna maksimalna driftovska brzina može biti nekoliko puta veća. • Ova činjenica je iskorišćena za izradu tzv. balističkih tranzistora, u kojima se elektroni u aktivnoj oblasti kreću bezdisipativno maksimalnom driftovskom brzinom, bez rasejavanja odnosno sudara na jonizovanim primesama ili fononima kristalne rešetke. Da ne bi došlo do rasejavanja elektrona, neophodno je i da širina d aktivne oblasti bude dovoljno mala da je elektroni prelete u toku srednjeg vremena slobodnog puta τr: . • U GaAs je a τr~10-12 s, pa je potrebna širina aktivne oblasti d<0,8 μm, što je danas tehnološki lako ostvarivo. U Si jea τr ~10-13 s, pa je potrebna širina aktivne oblasti d < 0,02 μm, što je teže, ali ipak tehnološki ostvarivo. Međutim, ovako uske oblasti imaju veliku bočnu električnu otpornost, što povećava parazitnu vremensku konstantu τRC tranzistora znatno iznad vrednosti τr ~10-13 s, i samim tim pogoršava potencijalnu brzinu rada i fg~1/τr ovih kola. • Zato je GaAs znatno pogodniji materijal od Si za izradu balističkih naprava i integrisanih kola na njihovoj osnovi, sa fg~ 400 GHz. Ipak, postoji mogućnost izrade i balističkih Si-tranzistora, ali sa metaličkom silicidnomCoSi2 bazom u monokristalnoj formi, koja ima znatno smanjenu bočnu električnu otpornost i pored male širine (~0,01 μm).

30. Predloženi su i jednoelektronski tranzistori. To su provodne strukture, kod kojih su oblasti sorsa i gejta, i gejta i drejna, razdvojene izolacionim tunelskim barijerama (od SiO2, vazduha, vakuuma...) Ove tunelske barijere nazivaju se kulonovski tunelski spojevi, i ponašaju se kao kondenzatori. Kada nema napona na gejtu, neće biti tunelske struje kroz barijeru između sorsa i gejta. Dovođenjem gejta na pozitivan potencijal, elektroni mogu da tuneliraju kroz barijeru, i to sa najvećom preciznošću - jedan po jedan! Naime, tuneliranje jednog elektrona kroz barijeru u stanju je da toliko promeni energiju minijaturnog kondenzatora koga čini tunelska barijera, da kulonovske interakcije blokiraju tuneliranje narednih elektrona kroz barijeru (zbog čega se ova energetska barijera u literaturi naziva i kulonovskom blokadom). • Da ovaj efekat ne bi bio razoren termalnim fluktuacijama na sobnoj temperaturi (kT ~ 0,025 eV), potrebno je da energija kulonovske blokade (Ec= e2/C, gde je e - naelektrisanje elektrona, a C - kapacitivnost barijere) bude bar za red veličine veća od tih fluktuacija - što zahteva enormno malu kapacitivnost (C ≤ e2/10kT ~ 10-18 F), odnosno nanometarske linearne dimenzije jednoelektronskog tranzistora (d ~ C/ε0εr≤ 30 nm, gde je uzeto da je εr≈ 4 za SiO2-barijeru). • Budućnost jednoelektronskih tranzistora je takođe velika, s obzirom da tako male parazitske kapacitivnosti (~ 10-18 F) i kvantne otpornosti (h/2e2 ≈ 13 kΩ, gde je h - Plankova konstanta) daju ultramale parazitne vremenske konstante (~ 10-14 s), koje ne ograničavaju prekidačka vremena kvantnih naprava (τ ~ 0,5 ps za d ~ 10 nm), omogućujući ultravisoke gornje granične učestanosti (fg~ 300 GHz).

31. Šematski prikaz jednoelektronskog tranzistora (sa dve kulonovske blokade između sorsa i gejta, i gejta i drejna) u (a) nepolarisanom stanju i (b) stanju pozitivne polarizacije gejta, kada elektron tunelira od sorsa ka gejtu (dalje tuneliranje elektrona od gejta ka drejnu moguće je tek pri pozitivnoj polarizaciji drejna, kada jednoelektronski tranzistor i dolazi u provodno stanje).

32. Najviši stepen integracije mogao bi se postići redukovanjem dimenzija elektronskih komponenti do molekularnog nivoa. Ovakvi čipovi, u kojima bi standardne poluprovodničke komponente bile zamenjene organskim ili biološkim makromolekulima, nazivaju se biočipovima. • Osnovna prednost biočipova u odnosu na standardne poluprovodničke čipove je znatno veća gustina pakovanja. Procenjuje se da će 3D-arhitektura biočipova omogućiti smeštaj oko 104 puta više komponenti po jediničnoj površini, u poređenju sa 2D VLSI čipovima. Pri tome je neobično važno da su problemi disipacije toplote s biočipa praktično zanemarljivi zbog skoro nedisipativnog kretanja solitonskog naelektrisanja duž makromolekula. • Analogni biočipovi mogli bi koristiti biomolekule (enzime ili druge proteine) kao "inteligentne"prekidače. Pošto enzimsko aktivno mesto prepoznaje oblik svog odgovarajućeg supstrata na tzv. “ključ‑brava” način (pri katalizi biohemijske reakcije), enzimi bi mogli da skladište i prenose informaciju svojom 3D-geometrijom. Zbog postojanja nekoliko različitih konformacionih stanja (umesto samo dva), enzimi su sposobni za višestepene analogne odgovore, nasuprot samo dvostepenom stanju digitalnih prekidača. • Negativno svojstvo ovih analognih prekidača je da enzimi funkcionišu relativno sporo. Naime, promena konformacionog stanja enzima odigrava se za τ ~ 10‑4 s. Međutim, ovi analogni prekidači bi se mogli efikasno koristiti za prepoznavanje oblika (supstrata), za šta je digitalnom kompjuteru potrebno vrlo mnogo binarnih operacija. S obzirom da se analogni biočip baziran na enzimskom prekidaču ne bi mogao programirati konvencionalnim metodama, on ne bi mogao zameniti digitalne kompjutere, ali bi se mogao kombinovati sa njima u kontroli procesa i prepoznavanju oblika!

33. Konceptualno, biočipovi se mogu napraviti, ali je potrebno rešiti još mnoge praktičneprobleme. Ipak, kroz unapređenje genetskoginženjeringa, može se očekivati modifikacija prirodnih proteina tako da izdržavaju ekstremne varijacije spoljnih parametara agresivne biološke sredine. U daljoj budućnosti krajnji cilj je razvoj genoma za biočipove, primenom tehnika genetskog inženjeringa, koji bi inkorporirani u ćelije proizvodili biočipove korišćenjem jevtinih sirovina, poput mineralnih soli i šećera. • Sadašnje procene kada će biti napravljen prvi biočip variraju od 10 do 20 godina, zavisno od količine sredstava uloženih u razvoj ove oblasti. Međutim, već danas istraživanja u ovom pravcu rezultirala su u proizvodnji biosenzora za brzu identifikaciju toksičnih mikroorganizama i molekula prema veličini i obliku, koji se mogu koristiti za medicinsko testiranje telesnih tečnosti, kao i razvoju biosenzora za veštačko uho i oko baziranih na biohemijskim elektrodama.

34. Memristor je električna komponenta sa dva priključka kod koje postoji nelinearna veza integrala napona i struje. Ovo se matematički izražava u diferencijalnom obliku: v(t) = M(w) i(t) gde je Mmemristanca, a w promenljiva stanja koja zavisi od integrala struje, odnosno od naelektrisanja proteklog kroz memristor. • Memristor je u stanju da zapamti stanje zadržavanjem vrednosti promenljive w u trenutku ukidanja napona. • Teoretski pretpostavljen još 1971, prvi memristor je izrađen tek 2008. u Hewlett-Packard Laboratories, na bazi nano-strukture Pt-TiO2-TiO2-x-Pt. • Kiseonične vakancije služe kao donori elektrona, pa je TiO2-x sloj provodan, a TiO2 izolatorski. U primenjenom električnom polju dolazi do kretanja i elektrona i kiseoničnih vakancija. Kretanjem vakancija pomera se razdvojna površ između dveju oblasti. Odnos debljina provodne i izolatorske oblasti određuje trenutnu vrednost dinamičke otpornosti memristora.

36. Ako sa za promenljivu stanja w usvoji debljina provodne osiromašene oblasti TiO2-x, koja očigledno zavisi od naelektrisanja proteklog kroz memristor do određenog trenutka, odnosno od integrala struje, uz pretpostavke da je elektronsko provođenje omsko (a ne tunelujuće), a drift vakancija linearan (važi linerana zavisnost brzine drifta od jačine polja), onda se strujno-naponska karakteristika memristora dobija u obliku: • Tipična i-v kriva memristora prikazana je na slici, za sinusoidalni napon amplitude koja obezbeđuje da ni jedna od dveju oblasti ni u jednom trenutku ne iščezne. • Zamrzavanje stanja (vrednosti w) čini osnovu memorijke sposobnosti memristora.Primenom dovoljno velikog napona ili dugom primenom napona, wdostiže jednu od dveju ekstremnih vrednosti (0 ili D, gde je D ukupna širina oksida), koje redom odgovaraju neprovodnom i provodnom stanju komponente. U tim slučajevima wostaje neizmenjeno sve do promene polariteta napona, što predstavlja osnovu za prekidačku funkcionalnost memristora.

37. Tipična dvostruka histerezisna i-v karakteristika memristora za napone malih amplituda. i-v karakteristike memristora za nelinearni drift vakancija.