Молекулярная электроника

Введение

Актуальность работы. Молекулярная электроника является относительно новым направлением современной электроники. Часто её рассматривают как междисциплинарную область, включающую физику, химию, микроэлектронику, компьютерную науку, и ставившую своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу - молекулярные электронные устройства. Несколько ограничивая это определение можно сказать, что это наука об электронных свойствах молекулярных материалов и возможности их применения в электронике. Возникает вопрос: «Что же такое молекулярные материалы?». Ответ на него может быть таким: молекулярные материалы представляют особый класс соединений, находящихся в конденсированном состоянии и образующихся из электрически нейтральных частиц (атомов и молекул) посредством слабых сил притяжения. В первую очередь — это ван- дер-ваальсовы силы притяжения, а также водородная и донорноакцепторная связи. Во многом особые свойства молекулярных материалов связаны с тем, что в них энергия внутримолекулярных связей атомов (как правило, ковалентных связей, образующих молекулу), существенно больше энергии межмолекулярных взаимодействий.
Объект исследования: молекулярная электроника
Предмет исследования: особенности физических процессов между молекулами
Цель работы: рассмотреть типы межмолекулярного взаимодействия
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса;
- описать водородную связь;
- проанализировать донорно-акцепторную связь.
1. Межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса
Так как вещества, состоящие из полностью насыщенных электронами молекул (с замкнутыми 8- и 18-электронными оболочками всех атомов, например CH4, N2O5) и не содержащие ионов (H2, Ar, N2), при понижении температуры сжижаются и кристаллизуются, то очевидно, что между молекулами существуют какие-то нерассмотренные выше межмолекулярные взаимодействия. Эти силы были названы именем голландского физика Ван-дер-Ваальса, который внес большой вклад в изучение процессов конденсации газов. Было установлено, что эти силы имеют 3 составляющие.
Ориентационное взаимодействие. Оно проявляется, если вещество состоит из полярных молекул  диполей (дипольдипольное взаимодействие). В результате беспорядочного теплового движения молекул при их сближении друг с другом диполи в веществе ориентируются с выигрышем энергии (рис. 1). Чем более полярны молекулы, тем сильнее они притягиваются и тем сильнее ориентационное взаимодействие. Такое взаимодействие характерно для полярных молекул (NH3, H2O и др.).
Повышение температуры ослабляет это взаимодействие, так как тепловое движение нарушает взаимную ориентацию молекул. Притяжение полярных молекул быстро уменьшается с расстоянием между ними.
Рис. 1. Ориентация диполей
Индукционное взаимодействие. Оно осуществляется, в частности, между полярной и неполярной молекулой и обусловлено тем, что дипольные молекулы индуцируют в соседних молекулах диполи. Индуцированные диполи взаимодействуют между собой и другими диполями, что дает выигрыш в энергии

. Энергия этого взаимодействия тем больше, чем больше поляризуемость молекул. Например, в H2S это взаимодействие больше чем в Н2О, так как поляризуемость S2 больше чем O2.
Дисперсионное взаимодействие. Это взаимодействие обусловлено тем, что каждый атом является диполем в любой момент времени, т.к. электрон и ядро являются противоположно заряженными частицами (мгновенный диполь). Если имеется несколько атомов поблизости, то их диполи ориентируются в пространстве ("+" к "") с выигрышем энергии. Такое взаимодействие характерно для любых атомов и молекул. Оно тем больше, чем более тяжелыми являются частицы (больше зарядов  больше взаимодействий). Дисперсионное взаимодействие наиболее универсальное, то есть проявляется в любых случаях.
Суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия обычно около 10 кДж/моль. Наименьший вклад обычно вносит индукционное взаимодействие. В случае атомов (He, Ar и др.) и неполярных молекул (H2, N2 и др.) наибольший вклад дает дисперсионное взаимодействие.
Все три вида взаимодействия возрастают с ростом молекулярной массы. По сравнению с ковалентной связью ван-дер-ваальсово взаимодействие очень слабое. Так, если энергия, необходимая для диссоциации молекулы Cl2 на атомы составляет 243 кДж/моль, то энергия сублимации (возгонки) кристаллов Cl2 составляет всего 25 кДж/моль.
2. Водородная связь
Межмолекулярное взаимодействие. Слабые взаимодействия между нейтральными молекулами, проявляющиеся на расстояниях, превосходящих размеры частиц, называются силами Ван-дер-Ваальса. В их основе лежит электростатическое взаимодействие молекулярных диполей. Энергия вандерваальсовых сил на 1–2 порядка ниже энергии химических связей. В зависимости от природы молекул выделяют три составляющие вандерваальсовых сил: ориентационную (диполь-дипольное, ион-дипольное взаимодействие), индукционную (диполь – неполярная молекула, ион – неполярная молекула) и дисперсионную (между неполярными молекулами).
Ориентационное взаимодействие проявляется между полярными молекулами, стремящимися занять такое положение, при котором их диполи были бы обращены друг к другу разноименными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индуцированные (наведенные) диполи. Между постоянными и наведенными диполями возникает притяжение. Такое взаимодействие называется индукционным.
Дисперсионное взаимодействие возникает в результате взаимодействия микродиполей, образующихся за счет мгновенных смещений положительных и отрицательных зарядов в молекулах при движении электронов и колебании ядер. Дисперсионные силы действуют между любыми частицами. Для неполярных молекул дисперсионное взаимодействие является единственной составляющей вандерваальсовых сил (это, например,He,Ar,H2,N2и др.).
Водородная связь. Химическая связь, образованная положительно поляризованным атомом водорода молекулы и электроотрицательным атомом другой или той же молекулы, называется водородной связью