В специальном выпуске журнала

В специальном выпуске журнала «IEEE Transactions of Industrial Electronics» (1982, № 2), посвященном высокотемпературной электронике, восемь статей о привычных полупроводниковых приборах, но две — о ВИС. Кажется, лед тронулся… Следует отметить еще один существенный пункт. ВИС выдерживают радиацию, на много порядков большую, чем полупроводниковые приборы, а что касается размеров, то ВИС может содержать до трех тысяч ламп на квадратном сантиметре. Уже созданы образцы, нарабатывающие тысячи часов при 500 °С. Так что самые ценные свойства и ламп, и транзисторов «кентаврами» вроде бы не потеряны.

Параметры электронных приборов, как и все в этом мире, ограничены. Ограничены как возможностями технологии изготовления, так и уровнем понимания их работы. Технология часто ограничивает возможные сочетания параметров. Легкий, но маломощный или легкий и мощный, но безумно дорогой… В транзисторе есть так называемая база — область с малым полем, а значит, с малой скоростью и большим временем дрейфа носителей (электронов или «дырок»). Следствием этого оказывается низкая граничная частота прибора, при более высоких он «не успевает». Конечно, эту самую базу можно сделать потоньше, но тогда уменьшатся рабочее напряжение и мощность: облегчится пробой. Хорошо бы вообще избавиться от области база-эмиттер и ввод

СЛОЕНОЙ СТЕНКОЙ

С 1969 г. за транзисторами по тому же технологическому пути двинулись лампы. И вот здесь, при попытках применить в производстве электронных ламп технологические приемы, созданные в полупроводниковой технике, были изобретены приборы нового класса. Они, подобно мифическим кентаврам, сочетали принцип действия и термостойкость ламп с технологией изготовления и габаритами транзисторов.

В технике — по крайней мере для стороннего наблюдателя — драматические события нечасты. Редко бывает, чтобы новый прибор вытеснил старый полностью. Идет длительная борьба за области применения. Из одних старое вытесняется новым, в других остается неуязвимым; наконец, под давлением нового старое начинает ускоренно эволюционировать, само кого-то вытесняет или «распахивает целину»… Если мобильность производства высока, возможны и колебания. Так, западная электроника сейчас совершает в какой-то степени поворот от полупроводниковой техники к вакуумной, ламповой. Самое же интересное происходит, когда возникают жизнеспособные гибриды. А возникают они, например, так.
На нее напыляется слой (пленка) металла 2, затем слой диэлектрика 3, затем второй слой металла 4 и второй слой диэлектрика 5. Потом в трех верхних слоях этой конструкции вытравливается круглая дырочка 6, вплоть до первого металлического слоя. Получается колодец с металлическим дном и диэлектрическими стенками. В одном месте эту стенку пересекает по окружности металлический поясок — край второй металлической пленки. Потом на всю систему в вакууме напыляется сверху более толстая третья металлическая пленка 7 — крышка колодца. Внутренний объем этого колодца, в котором создан вакуум, и есть электронная лампа. Катод ее — нижняя пленка, сетка — края средней, анод — верхняя.

Конечно, это не единственный вариант. Например, катод, сетка и анод могут быть расположены в одной плоскости (рис. 2). Электроны, эмиттирован-ные катодом 1, идут на анод 3 мимо сетки 2 по криво, [инейным траекториям. В варианте, показанном на рис. 3 (катод — 1, сетка — 2, анод — 3), электроды расположены на двух подложках. При взгляде на приведенные варианты «пленочных ламп» видно невооруженным глазом, как они удобны для реализации сериями на одной подложке. Если же на ней выполнены и пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы), и соединительные проводники, то получается целая схема. Это и есть вакуумная интегральная схема (ВИС), прототип которой создан в 1969 году.

РАСПОРЯДОК ДЕЙСТВИЙ

Известный английский физик Сесил Фрэнк Пауэлл любил рассказывать притчу о Бенджамине Франклине (это нашло отражение в литературе). Некая •женщина спросила Франклина о возможностях применения одного из его открытий в области электричества, на что Франклин ответил: «Мадам, а какое применение новорожденному?»…

В наши дни проблема «применения новорожденному» куда актуальнее, чем во времена Франклина. Не случайно ускорению научно-технического прогресса, введению новейших достижений науки в практику были посвящены июньское совещание в ЦК КПСС и Общее собрание Академии наук СССР в марте этого года.

Разумеется, механизм внедрения, использованный сотрудниками небольшой лаборатории сравнительно небольшого института республиканской академии, не единственно возможный. Но о нем стоит рассказать, поскольку конечный результат оказался весьма весомым. Весомым в прямом смысле этого слова — страна получила тонны уникального по свойствам металла. Силами одной-единственной академической лаборатории с штатом в 15 человек сделать это практически невозможно. Круг специалистов, занятых проблемами необычного металла, закономерно и, я бы сказал, рационально разрастался по мере того, как накапливалась научная информация об особо чистом алю минии.

Сегодня у лаборатории металлов высокой чистоты и прецизионных сплавов четыре «дочерние фирмы». Это созданная два года назад в том же институте лаборатория коррозионностойких материалов во главе с кандидатом технически* наук И. Н. Ганиевым. Это две лаборатории-филиала в СКТБ АН Таджикской ССР, размещенных непосредственно в Кондаре. Экспериментально-производственные лаборатории! И наконец, методами анализа особо чистого металла и собственно анализом активно занимаются на кафедре аналитической химии Таджикского государственного университета имени В. И. Ленина.

А еще оказалось,

А еще оказалось, что при низких температурах (не сверхнизких — «гелиевых», а более приемлемых «водородных», примерно 20К) четырехдевяточный алюминий становится гиперпроводником — электропроводность его увеличивается во много тысяч раз. Это не сверхпроводимость, когда электрическое сопротивление вдруг падает до нуля, но по сравнению с обычным металлом оно. многократно уменьшается. Причины этого явления еще предстоит изучить, а использовать его в деле уже пробуют… Еще важно, что в условиях столь низких температур четырехдевяточный алюминий не становится хрупким.

А еще этим алюминием заинтересовались, как ни странно, стоматологи. Действительно, хороший материал для коронок и литых зубов. Химически пассивен, не создает гальванических явлений во рту, хотя, как известно, слюна — и электролит, и среда достаточно агрессивная…

А еще из особо чистого алюминия сплавы, получаются тоже особые. Ввели в него микропримесь стронция — твердость такую получили, что резцы на то-карлых станках «лететь» начали. И это алюминий, обычно такой мягкий, податливый…

Чистота преобразует металл. И преображает.

Особой чистоты

Дорога идет вверх. Вдоль нее навстречу нашей машине катит волны довольно бурный в это время года Вар-зоб. Проскочили санаторий текстильщиков, несколько пионерлагерей. Курортная зона. Чистый горный воздух…

Здесь в маленьком селении Кондара построено единственное в своем роде производство. Максимум полсотни жителей в Кондаре. Столько же работает, приезжая из Душанбе. А делают здесь алюминий — самый распространенный на земле металл. Но здесь и только здесь пока выпускают алюминий марки ОСЧ-18-4. Цифры означают: это металл чистотой четыре девятки после запятой (99,9999 % А1), контроль примесей — по 18 компонентам. Чистый горный воздух — условие, крайне желательное для такого производства.

И воздух оно, кстати, не загрязняет. Но об этом чуть позже.

ЧИСТОТА ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ

На столе доктора технических наук профессора А. В. Вахобова килограммовый слиток. Этот алюминий отлит больше пяти лет назад. Тем не менее он не тускнеет. Оксидная пленка, конечно, есть, но очень тонкая и равномерная. Оттого белый серебристый металл (как часто характеризуют алюминий) выглядит действительно белым и серебристым.

Лаборатория металлов высокой чистоты и прецизионных сплавов была организована в Институте химии имени В. И. Никитина Акад( мии наук Таджикской ССР в 1968 г. Сначала исследовали щелочноземельные металлы — кальций, барий, стронций. И сплавы на их основе. Интерес к алюминию возник позже, когда был построен Таджикский алюминиевый завод — один из ведущих заводов отрасли — и когда у электроники появилась практическая потребность в алюминии особой чистоты.

Известно: чистота преобразует металлы. Титан, к примеру, пока его не очистили как следует, был для техники мало привлекателен. У алюминия судьба иная: сегодня он самый массовый, самый важный * всех цве гных металлов. Но и его преображает чистота. Больше всего глубокая очистка сказывается на таких его свойствах, как электропроводность, пластичность, химическая стойкость. С каждой последующей девяткой на порядок растет устойчивость алюминия к коррозии. Одновременно улучшается отражательная способность, металл все лучше проводит электрический ток и тепло.

Два слова о главном, что уже сделал особо чистый таджикский алюминий. Выступая в роли проводника, он помог многократно увеличить плотность интегральных схем — важнейших составляющих микроэлектроники.

Было известно

Было известно, что соединения ряда нафтохинона-1,4 обладают противомалярийной активностью, причем эта активность коррелирует со склонностью веществ переходить в липидную фазу, то есть со способностью накапливаться в клеточных мембранах. Для ряда таких веществ были определены коэффициенты распределения в системе н-окта-нол — вода, причем удалось заметить, что максимальной активностью обладают вещества с коэффициентами распределения, находящимися близ определенной точки в двумерном пространстве, дескриптор — биологическая активность, лежащей в вершине параболы, описываемой уравнением КССА. В результате удалось предсказать высокую противомалярийную активность новых производных нафтохинона, которые были синтезированы и действительно продемонстрировали хороший лечебный эффект.

Кроме того, удалось установить, что биологическая активность нафтохинонов коррелирует с еще одним физико-химическим параметром — их способностью участвовать в окислительновосстановительных реакциях, сопровождающихся приобретением молекулой лишнего электрона. Меру этой способности можно оценить путем квантово-химических расчетов; используя эти результаты в качестве дополнительных дескрипторов, тоже удалось получить новые противомалярийные препараты.

У метода КССА, как и у всякого другого метода, есть свои ограничения. Дело в том, что каждый организм представляет собой столь сложную систему, что его функции могут испытывать значительные отклонения от так называемой «нормы»; в связи с этим даже вошел в обиход термин «биохимическая
индивидуальность». Если не учитывать статистического разброса свойств организмов, входящих в одну популяцию (это может быть не только популяция людей, но и популяция микроорганизмов или экспериментальных животных), то в самом начале в модель биологической активности может вкрасться грубая ошибка, которая обесценит всю последующую работу.

И вообще, следует помни гь, что метод КССА в основе своей все-таки статистический. Это значит, что’ даже если все дескрипторы выбраны удачно, то все же существует не равная нулю вероятность того, что.успех придет не сразу.

Но, как говорится, на ошибках учатся.

Когда дескрипторы выбраны

Когда дескрипторы выбраны, полученное множество точек в многомерном пространстве упорядочивается с помощью математической операции, называемой регрессионным анализом: задача заключается в том, чтобы найти гладкую многомерную поверхность, проходящую максимально близко от всех экспериментальных точек. После этого можно утверждать, что любая точка, лежащая близ поверхности, характеризующей множество биологически активных веществ, тоже принадлежит этому множеству и поэтому соответствует веществу, обладающему сходной биологической активностью. Более того, перемещаясь вдоль этой поверхности в разных направлениях, можно находить значения дескрипторов (то есть физико-хими- -ческих характеристик) еще не синтезированных веществ, при которых может быть достигнут максимальный биологический эффект. А поскольку связь между строением вещества и его конкретными физико-химическими свойствами (например, плотностью) довольно однозначна, метод КССА и позволяет бы«т ро
находить новые вещества, с большой степенью вероятности обладающие наперед заданной биологической активностью.

Метод КССА уже успешно применяется для поиска лекарств. С его помощью были созданы новые антибактериальные препараты ряда сульфаниламина; тио-барбитураты, обладающие снотворным действием; пропиниламины, обладающие психотропной активностью; противоопухолевые антибиотики ряда митомицина.

О том, как конкретно используется метод КССА, расскажем на примере поиска новых противомалярийных вещее тв, в ходе которого использовались как эмпирические, так и квантовохимические дескрипторы..

Полярность молекулы

Полярность молекулы оказывается одним из основных дескрипторов, причем ее несложно оценить, измерив коэффициент распределения вещества между полярной и неполярной средой, например между водой и н-октанолом: полярные вещества отдают предпочтение водной фазе, а неполярные — н-октано-лу. Иногда используются другие свойства вещества, характеризующие его полярность, например его способность адсорбироваться на сйликагеле; иногда непосредственно измеряют дипольный момент молекул.
Другая важнейшая характеристика -биологически активных веществ, используемая при построении уравнений КССА,— геометрия молекул. Когда биологически активное вещество попадает в ту или иную ткань живого организма, ему еще предстоит прореагировать с молекулярными структурами клетки, называемыми рецепторами, ро,»ь которых обычно выполняют определенные участки молекул биополимеров — белков, липидов, нуклеиновых кислот*. А чтобы молекула биологически активного вещества могла подействовать на полимерный рецептор, она должна иметь определенную форму, соответствующую форме рецептора по принципу «ключ — замок». Причем часто способность «ключа» открывать биологический «замок» определяется небольшой, но характерной группировкой атомов.

В методе КССА используются и другие дескрипторы. Ими могут служить температура кипения и плавления вещества, растворимость, плотность, молекулярный объем, электронная структура молекулы — их выбор зависит от конкретной задачи, стоящей перед исследователем. Существует также возможность использовать в качестве дескрипторов не только величины, полученные эксго риментально, но и выведенные путем квантовохимических расчетов.

ВЫБОР ДЕСКРИПТОРОВ

В качестве дескрипторов можно использовать различные физико-химические характеристики вещества. Однако среди них есть значимые, заметно связанные с биологической активностью, а есть и такие, которые с биологической активностью практически не коррелируют. И естественно, задача заключается в том, чтобы найти минимальное число наиболее важных дескрипторов наиболее тесно связанных с интересующей нас биологической активностью.

Живой организм — это в высшей мере неоднородная среда, состоящая из различных тканей; однако крайне упрощенно организм можно рассматривать состоящим из двух фаз — водной и липидной (то есть жировой). Водную фазу образует протоплазма клеток, липидную — клеточные мембраны, Поскольку эти элементы биологических структур выполняют разные функции, I’o совершенно естественно, что сродство молекулы к той или иной фазе, характеризуемое ее полярностью (то .есть неравномерностью распределения электрических зарядов), должно значительно влиять на биологическую активность: неполярные молекулы стремятся концентрироваться в липидной фазе и поэтому называются липофильными, а полярные, гидрофильные молекулы преимущественно накапливаются в водной среде.

Одним словом

Одним словом, в разных случаях биологическая активность характеризуется по-разному,однако любая из этих характеристик все же позволяет количественно сравнивать между собой разные вещества, обладающие сходным биологическим действием. Для построения же уравнений КССА в качестве меры биологической активности используют величину lg [ 1 /С ], где С — биологическая активность, определенная одним из вышеперечисленных традиционных методов: величина lg [ 1 /С] тем больше, чем активнее вещество, то есть чем меньшая его доза требуется для достижения определенного биологического эффекта.

Итак, первый шаг сделан: мы договорились, каким образом можно количественно оценивать биологическую активность вещества. Следующий шаг должен заключаться в том, чтобы найти конкретные физико-химические параметры соединения, коррелирующие с его биологической активностью; эти параметры принято называть дескрипторами (от англ. description — «описание»).

Число дескрипторов заранее предугадать нельзя. Если откладывать величины биологической активности и каждого из дескрипторов на осях координат, то каждое индивидуальное соединение изучаемой серии будет изображаться точкой
в многомерном пространстве, а все вещества серии — множеством точек. И суть метода КССА. заключается в том, что точки, характеризующие биологическую активность веществ со сходным действием, располагаются в пространстве дескрипторов не как попало, а образуют геометрически упорядоченные множества; это и позволяет выявлять особенности строения молекул, определяющие их свойства.