JP6386766B2 - 自由熱雑音から電力を発生させる分子チップ - Google Patents

Description

本発明は、単分子層に関し、特に電力が相対的な分子運動を駆動するために送り出される場合に、トランスと同様に、熱雑音を電気的交流電力に変換することに関する。

分子機械は、研究の主要な話題である［非特許文献１］。しかし、生物学的なマシンがまだ優勢である。タンパク質マシンは、注目に値するもので、２つの部分を有する。その一部分は、ブラウン運動（ブラウンローター、ＢＲ）を通してエネルギーを取得し、他の部分は物理的な力で仕事を提供する。ここで、行なわれた仕事を制御するためのエネルギーを供給する必要があり、このエネルギーはＡＴＰ変換から来るので、当該他の部分には、化学反応から物理的運動量を生成するための動力行程（ｐｏｗｅｒ ｓｔｒｏｋｅ）モジュール（ＰＳ）を必要とする。ＡＴＰのエネルギー消費との差がｋＴより小さければ、それはナノ発電所であり、この仕事は非常に単純な分子設計を用いたタンパク質発電プラントの概念を複製する出力である。注目すべきことに、非常に複雑なアーキテクチャのために、生物学的な機械がどのようにＢＲとＰＳモジュールの融合体のように動作することについては議論の余地がある概念であり、まだ解決されていない。単一分子が特定の方向に永久に回転することで、機械的エネルギーをＡＣ電力に変換する分子のトランスを作成できる可能性がある。しかし、最も重要な課題は、極端な対照条件下での電力生産についての概念的な研究室での実現をすることではなく、むしろ有用で効率的な電力を生産することである。

しかし、上記二つのモジュールの内部の分子動力学を制御している場合でも、単一分子ベースの発電所で発電された電力は極めて少量である。その代わりに、多数の分子機械が自己組織化され、それらが最終的な配信システムに個々の出力を加算し、調和して働くことができるような技術が考案されている場合、分子機械から測定可能な電力を発生させることができる［特許文献１］。したがって、異なる分子プロペラの機械的な動きは、回転が全て局所的で、好ましくは全体的な近隣では全て同位相であるように、一致して動作させたいと思う［非特許文献２］。最も簡単な方法の一つは、分子機械の自己組織化単分子層を構築して、外部電界または制御電源を使用して、すべての分子を同期して駆動することである。環境エネルギーが効果的に電力生産に貢献するため、ちょうど従来の火力・原子力発電所のように、分子機械は、入力よりも多くの電力を得させている［非特許文献３］。有機単分子層の分子対称とエントロピーに関連する問題で相転移が徹底的に研究されている。しかし、有機単分子層の自発的なｋＴ駆動される相転移を用いた環境発電（ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ）の報告はない[特許文献２]。

有機単分子層を通過する間、入力電力供給には自然の送電損失を生じる。しかし、この過程は単独で出力損失を発生する。外部エネルギーｋＴが有機単分子層に沿ってキャリアを誘発（ｔｒｉｇｇｅｒ）する際に、小さな分子クラスターの動力学的な同期によりその補償がカバーされる。どのような状況下でも、その表面上により多くのキャリアを生成できないため、この理由から、直流発電は理論的に不可能である。しかし、起電力は、振動する態様で最終的に電極により多くのキャリアを押すことができる。これは実際に実行可能であり、この概念が私たちの発電の起点である［特許文献３、４］。

膨大なポテンシャルを有しているために、分子機械の単分子層の運動状態が、最近の研究の非常に刺激的な分野となっている。今まで、単分子層中の機械的動特性は、粒子を移動させるためのみに使用されてきた。

ＷＯ２０１０／１４１２６３Ａ１号公報 米国特許第７２６２５１５号公報 米国特許公開第２００９／０３１５３３５号公報

Macroscopic Transport by Synthetic Molecular Machines; J Berna, et al., Nature Mater, 4, 704-710 (2005). MOLECULAR MACHINES; C. Mavroidis, A. Dubey, and M.L. Yarmush; Annual Review of Biomedical Engineering; Vol. 6: 363-395 (2004) Drexler, K.E., C. Peterson, and G. Pergamit. (1991) Unbounding the Future: The Nanotechnology Revolution New York: William Morrow. ultra-lightweight solar-energy-harvesting molecular machines; http://web.mit.edu/lms/www/PDFpapers/Zhang, %20Economic%20perspective.pdf

本発明の目的は、環境内の利用可能なエネルギー（ｋＴ）を使用して追加の電力を生成する実用的装置を設計することである。

本発明の発明者は、環境から熱エネルギーを吸収し、それ自身の分子運動状態を使用して電力を発生する電子デバイスを想到した。
第一に、発電は単一の分子ではなく、単分子膜の性質を有する。
第二に、電子デバイスは、交流電力のみを発生する。
第三に、電子デバイスは、大量のノイズの下にあっても、一定の電力出力をする。
第四に、電磁電源装置は、従来型電源からの入力を必要とするが、しかし、入力は出力よりも小さい。

次に、特許請求の範囲に対応して詳細に本発明を説明する。
本発明の第１の態様は、環境から熱エネルギーを吸収する分子チップを提供することであって、導電性または半導電性の基板（１０２）と、前記基板上に堆積された単分子層（１０１）と、前記基板上に一対の電極を形成する第１および第２の電極（１０３、１０４）とを備え、前記単分子層は、前記電極間の長さに沿って予め設計された配向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）を有する多数の分子の配列化された（ａｒｒａｙｅｄ）単分子層であると共に、前記単分子層に沿った電子及び光子のキャリアの同期運動を制御するために適切なＡＣ周波数を印加することにより、所望の原子スケールの動力学を示すように調整されることを特徴とする。
本発明の第２の態様は、環境から熱エネルギーを吸収する分子チップを提供することであって、導電性または半導電性の基板（１０２）と、前記基板上に堆積された単分子層（１０１）と、前記基板上に一対の電極を形成する第１および第２の電極（１０３、１０４）とを備え、前記単分子層は、前記電極間の長さに沿って予め設計された配向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）を有する多数の分子の配列化された（ａｒｒａｙｅｄ）単分子層であると共に、入力信号が前記二つの電極の端部との間に印加され、ＡＣバイアスは、外部出力信号の電力の形で行われる関連の仕事を最終的に遂行するような共振駆動運動に、分子部品をトリガし、前記単分子層を通過する電界は、すべての分子に前記分子の分岐の運動の周波数を一致させるような共振条件をもたらすことを特徴とする。

本発明の他の局面は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、直流電界の測定量は、直流電源１０５から前記２つの電極間に印加されることを特徴とする。
本発明の他の側面は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記単分子層が熱雑音ｋＴを吸収することを特徴とする。
本発明の他の側面は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記単分子層の複数の分離された領域が印加された電界により配向を変えることを特徴とする。
本発明の他の側面は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記単分子層内のすべての分子が同期して回転することを特徴とする。

本発明による第３の態様は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記分子は、特定ＡＣ周波数での回転、振動、並進又は歳差運動の少なくとも1つを示すように、前記単分子層のために選択されることを特徴とする。この態様は原子スケールの運動と外部入力エネルギーとの連結を探索する。

本発明による第四の態様は、第１、第２または第３の態様の分子チップを提供するもので、前記単分子層は、有機材料、無機合成材料又は生体材料の少なくとも一つで作られることを特徴とする。

本発明の他の側面は、第４の態様の分子チップを提供するもので、前記単分子層の単分子が巨大な超分子及びポリマー、単一のタンパク質分子、有機色素分子、無機複合体、デンドリマーの単一ユニット、有機金属錯体の少なくとも1つであることを特徴とする。

本発明による第５の態様は、第４の態様の分子チップを提供するもので、有機的、無機的なナノ又はマイクロのサイズの材料で作られた分子のチップであって、前記半導体性の基板における半導体性の原子表面下との共有結合および非共有結合を形成するために、前記単分子層の単分子を官能化できることを特徴とする。
本発明の他の態様は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記分子チップが二系統を介して入力電気を通すように、前記二つの電極の間の前記分子チップ表面が導電性金属または半導電性材料の特異的に選択されたものであって、前記分子チップ表面には前記単分子層が成長されており、前記二系統の一方部分は、前記分子チップ表面の通じて行われ、残余は前記単分子層を介して行われることを特徴とする。
本発明による他の態様は、第３の態様による分子チップを提供するもので、前記単分子層を通過する電界は、すべての分子に前記分子の分岐の運動の周波数を一致させるような共振条件をもたらすことを特徴とする。
本発明の他の側面は、第１の態様による分子チップを提供するもので、
すべての前記分子が前記同期運動の共振周波数にて回転、振動、並進及び歳差運動の一つまたは複数を選択することで同期運動に達することを特徴とする。

本発明による第６の態様は、第１又は第２の態様による分子チップを提供するもので、前記分子が同期化された運動を受けることにより、前記分子チップがその運動を維持するために、第１又は第２の態様による熱雑音（ｋＴ）を使用して、単一の統合されたシステムとなると共に、ランダムに伝播するキャリアは、外部電場の振幅、位相及び周波数と相互作用し、出力端での電力を増幅することを特徴とする。

本発明による第７の態様は、第１から第７の態様による分子チップを提供するもので、前記熱エネルギーは、ランダムに同期して一の電極から別の電極へ直接一方向にキャリアを伝播するような、熱、音、電気バースト、光の少なくとも一つであることを特徴とする。

本発明による第８の態様は、上述の態様による分子チップの製造方法を提供するもので、表面官能基は、所望の分子の対官能部分（ｃｏｕｎｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔ）と反応しうるような、必要とされる活性官能基を生成する表面原子の酸化または還元の化学プロセスによって作成されることを特徴とする。

本発明の他の態様は、第８の態様による分子チップの製造方法を提供するもので、前記半導体性の原子表面上で作成された官能基は、酸化的または還元的カップリング反応と置換反応を経由して、静電相互作用または共有結合によって対官能基ユニット（ｃｏｕｎｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｕｎｉｔ）に結合することを特徴とする。

本発明による第９の態様は、非従来型の発電機、電力増幅器または分子ＤＣ−ＡＣコンバータを提供するもので、前記非従来型の発電機、電力増幅器または分子ＤＣ−ＡＣコンバータは第１〜第８の態様の分子チップを含むことを特徴とする。

以下にすべての有利な変化を要約する。本発明による態様のそれぞれは、有利な変化の少なくとも一つを有する。
１）第一の有利な変化は、自由に利用可能な熱エネルギーを電力に変換する装置を提供することである。
２）第二の有利な変化は、任意の化学的または他の種類の材料供給の不在下でも、暗所（光の非存在下）で機械を動作させることを可能にすることである。いくつかの態様の中では、本発明による態様は他の非従来型の供給源よりも優れている。
３）第三の有利な変化は、配線もなく電源供給ラインもなく熱損失もないのような、パワーエレクトロニクスの新たなクラスを生成することを可能にすることである。将来の電子機器の最も重要な課題の一つは、熱放射である。
４）第四の有利な変化は、電子機器の全く新しいクラスにも関する。既存の電子機器や機械は、漏れに関連付けられた電子の運動と統計に基づいている。これらの機能は消えさり、チップ内のすべての単一のデバイスが自動的に電源に関連付けられる。
５）第五の有利な変化は、分子エレクトロニクスが約束したけれども、実現できなかった新しい産業革命を約束している。分子へ電力を送る必要があるために、前記分子はその特性を維持することが不可能であったが、今その必要性はもはや必要でない。

図１は、二つの電極１０３、１０４の間であって、導電性または半導電性の表面１０２上に堆積された単分子層１０１を示している。

基板２０１上で単分子膜をある局所的な幾何学的配向２０２、２０３、２０４、２０５に生成できることを示す概略図である。

図３は、印加された電界が２つの経路に分けられるもので、Ｐ１が導電層３０１を介しており、Ｐ２が単分子膜３０２を介している場合を示している。

図４は、分子ローター４０１の概略図を示すもので、分子ローター４０１は４０２、４０３として表される。

図５は、単分子層の分子５０１を同期させる共振電界を示す模式図である。

図６は、ＨＯＰＧ表面６０１と一対の電極６０２、６０３の概略図であり、これらは関数発生器（ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）ＦＧ６０４及びオシロスコープＯＳ６０５と共に配置されている。

図７は、単一分子６０６と異なる構造を有する類似した分子形状の模式図である。

図８は、１０ｐＡの定電流で７７Ｋでの走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）像を示すもので、Ｐｔ−Ｉｒ探針・バイアスがスキャン中に可逆的に＋２Ｖと−２Ｖの間で反転する場合を示している。

図９は、周波数対単分子膜からの出力ｒｍｓ（二乗平均平方根）電圧を含むグラフを示している。

図１０は、異なる対称性の分子集合体Ａ７０１、Ｂ７０２およびＣ７０３の概略図で、これらは異なるＣＶを持っており、温度上昇とともに出力電力が極大に達する。

図１１は、分子配列の対称性が、図１０（左）の３種の異なる対称性のために、温度によってどのように変化するかを示すものである。単分子層からの分子配列の対称性から、理論的に計算された出力は全温度範囲にわたってガウス分布を示している。

図１２は、実験から得られた出力電力が、供給された周波数に対する８０１としてプロットされて示している。時間に対する出力電力プロットは８０２である。

本明細書では、発電装置は「自然電源トランス」と呼ぶ。この理由は、分子チップは周囲大気条件で常に動作するため、分子チップが室温付近の動作温度を維持することを目的とするからである。

図１は、二つの電極１０３、１０４の間であって、導電性または半導体性の表面１０２上に堆積された単分子層１０１を示している。電極は、単分子層の両端で接続されていると共に、測定された量の直流電場が直流電源１０５から２つの電極間に印加される。入力バイアスは、関数発生器１０６によって検出される。単分子層は、オシロスコープ１０７によって検出される合成出力信号である熱雑音ｋＴを吸収する。

分子チップ１００は、二つの電極１０３、１０４間の分子層を使用して作製される。分子層１０１は、電極間の長さに沿って予め設計された配向性（ａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）を有する多数分子の配列化（ａｒｒａｙｅｄ）単分子層である。アラインメントは、１つまたは複数の対称性を取り入れており、それぞれの対称領域の境界は、ランダムに、または発電需要によって必要とされる適切な規則に従って変化する。

単分子層内の分子は、熱雑音を利用して、ランダムな順序での運動を実行するので、電力がノイズを経由して無駄になることが最低で済むように、単方向の進路（ｔｒａｃｋ）を導入することが必要な場合がある。発電の目的は、機械で作られた単分子層が構築された場合に、キャリアがある電極から別の電極により多く到達するものを提供することである。単分子層の典型的な特性が、ここでは重要である。この特性は、次のとおりである：二つの電極間の単分子層の全体が、一度に同期して配向を切り替えることはできない。必要な特性は、印加された電界に対して配向を変更する単分子層のある分離した領域である。単分子層内の全分子が同期して回転する。この配向は対称性と呼ばれ、複数の対称性によって、複数の配向が互いに区別される。

最後に、分子チップは、配向が変化する場合に従う次のルールを有する。これは純粋な単分子層の特性であり、（ｉ）印加される電界に依存して、（ｉｉ）電界下での分子の相対的な配向の変更、及び（ｉｉｉ）底面との分子の結合が、キーである。当該キーと共に、単分子層がその配向を切り替えるやり方であるルールを定義する。

分子チップは、電子キャリアを駆動するために、その環境で利用可能なエネルギーを使用するもので、利用可能なエネルギーから、分子チップ、電力デバイス、および／または環境発電デバイスを動作させるための最低限の外部電力よりも多くの電力を発生させる。
利用可能なエネルギーは、ボルツマン定数と環境の温度との積であり、それを生成するために、どんな従来のエネルギー源も必要としない。この利用可能なエネルギーは、自然光エネルギー、風力エネルギー、静電エネルギー、重力場エネルギーおよび利用可能な熱エネルギーとすることができる。
エネルギーが直接または間接的に分子チップと相互作用して、システムによって吸収されたときに、分子中の量子力学的にもつれた原子配列のエネルギーレベルの状態を変化させ、エネルギーは均一または不均一に原子分布全体に分布している。

環境内の複数の分子がキャリアをポンプするために相互作用する。この分子チップの鍵は、分子によって吸収される電力をキャリアの動きに効果的に伝えることである。この電力輸送の１つの重要な側面は、キャリアの一方向性である。

図２は、単分子膜が基板２０１上に局所的な幾何学的配向２０２、２０３、２０４、２０５を生成できることを示す概略図である。局所的な幾何学的配向２０２、２０３、２０４、２０５は、同様の構造を有し、二つの電極２０６、２０７の間に位置する。これらの間で共振を作るために、外部電場が２つの電極２０６、２０７の間に印加される。

図３（Ａ）は、高周波数の場合には、印加される電界が二つの経路に分かれることを示す図で、経路Ｐ１は導電層３０１を介しており、経路Ｐ２は単分子層３０２を介している。図３（Ｂ）は、低周波数の場合の印加電界を示す図で、電界の一部が、異なる局部に組み立てられた分子層を介して、単分子層３０３、３０４、３０５、３０６を通して移動する。図３（Ｂ）は、入力電力３０７と出力電力３０８を示している。入力電力３０７は、ｋＴを要因とする出力電力３０８以下である。

分子チップに関しては、入力信号は二つの電極の端部との間に印加され、ＡＣバイアスは分子部品を共振駆動運動にトリガして、最終的に外部出力信号における電力の形で行われる関連する仕事を提供する。総出力電力は、入力よりも大きい。

分子は、特定のＡＣ周波数で良好な運動状態（ここでは回転）を示すように、単分子層に対して選ばれる。特定の入力交流信号の周波数（エネルギー）での特定の分子層に関しては、ある特定の配向（対称性）の分子は、外力場と相互作用し始める。すべての分子が共振振動によって特定の配向に駆動される。

共振（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）の使用には、２つの利点がある。第一に、共振は非放射性のエネルギー移動プロセスであるために、最小のエネルギーですむ点である。第二に、ノイズの存在下であっても、すべての分子が単分子層の特定の部分を通して自動的に同じ位相及び周波数に達する点である。その結果、キャリアの動きが最初は非常にランダムであっても、単分子層による同期の自発的な回復特性により、キャリアのどんな動きも特定の方向に移動する。
単分子層を形成する分子の電磁共振特性の自然な特性によって、どんな誘導ノイズも単分子層によって自動修正される。したがって、要約すると、転換される電力は、熱雑音を利用する分子運動から生成されるものであるが、入力電力に結合されていて、そして増幅された出力電力が得られる。
電力増幅は、同じ対称性または分子の配向を有する分子の数に関連している。分子チップ全体にわたるグローバルな対称性が単一の値に収束するか、あるいは単分子層の全ての隔離されたクラスターが単一の配向を生成した場合には、特定の分子チップからの電力出力振幅が極大に達する。

図４（Ａ）は、分子ローター４０１の概略図を示している。図４（Ｂ）は、分子ローター４０１の概略図としての水平軸４０２を示している。図４（Ｃ）は、分子ローター４０１の概略図としての縦軸４０３を示している。図４（Ｄ）は、分子ローター４０１の回転運動時の偏角θのグラフを示している。回転運動の間に印加される電界Ｅの結果として、偏角θが下限４０５、４０６、上限４０７の間で変化する。

分子チップはある閾値温度以上で動作させることで、温度を増加させると、相対的な分子運動の速度が増す。そのときに、発電が比例して増加する。特定の温度で、分子運動の速度が最大に達して、平衡が確立されると、出力電力は熱雑音の関数となる。純粋に利用可能なエネルギー（ｋＴ、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である）若しくは分子チップの単分子層または複数分子層を駆動するための付加的なエネルギー源としてノイズの当量により、出力のパワーまたはエネルギー利得が保証される。

用語ｋＴにおいて、ｋは普遍定数であるが、Ｔは変数である。特定値のＴにおいて、ｋＴの大きさは固定されており、その特定のエネルギーがエネルギー移動過程中のパケットとして使用される。したがって、分子の運動は、分子振動チェーンの熱（エネルギー）の量子化された分布に直接比例するものであるが、温度との相乗関係を示している。分子振動チェーンにおける熱容量が大きくなるほど、限定された条件下での速度が早くなる。温度がゆっくりと上昇すると、熱的な分子モータが高速化して、最大値に達する。しかし、単分子層が自動的に調整することはできないような無制御ノイズに起因して、特定の温度以上で発電の性能が減少する。

図５（Ａ）は、共振電界が単分子層の分子５０１を同期されることを示す概略図である。電気的バイアスは、２つの電極５０２、５０３の間に印加される。図５（Ｂ）は、印加電界と偏角θの変化を示している。数値５０４、５０５および５０６はそれぞれ、印加電界と偏角θの変化を示す。

図５（Ｃ）は、量子化エネルギー５０７と内部場５０８との間の相互作用を示す概略図である。量子化エネルギー５０７は、内部場５０８と相互作用し、二つの電極５０９、５１０の間の単分子層を通って伝播する。

図６（Ａ）は、ＨＯＰＧ（高配向熱分解黒鉛）表面６０１の概略図であり、電極６０２、６０３のペアは、関数発生器ＦＧ６０４及びオシロスコープＯＳ６０５と共に配置されている。ＨＯＰＧ表面に分子膜を保持するように修飾されている。
単一分子６０６が示されており、矢印が三重結合（赤、２２１０ｃｍ^−１のラマンピークが現れる場合がオン、消える場合がオフ）と、ＮＨの振動モードを制御する−Ｃ＝Ｏの振動を示している。ＮＨの振動モードは紫、１１７９ｃｍ^−１で、ＣＮ伸縮（１３５５ｃｍ^−１）、Ｎ−Ｈ面内曲げ、Ｎ−Ｃ＝Ｏ曲げおよびＣ−Ｃ伸縮を介して、２つのゲートがはっきりと作動する。

図６（Ｂ）において、数字６０７は三重結合のオン・オフ状態を示している（赤、２２１０ｃｍ^−１）。図６（Ｃ）において、数字６０８は別個の部分のオン・オフ状態を示している（１３３５〜１３４５ｃｍ^−１）。

図６（Ｄ）は、ベンゼン６２１とナフタレン６２２の二つの芳香族共役平面からなる分子ローターを示している。これらは三重結合６２３を介して接続される。芳香族共役面６２１、６２２は、共役系の一つであり、単一および複数の結合を交互に起こしている化合物で非局在化電子と接続されたｐ軌道のシステムである。これらは、一般的には分子の全体のエネルギーを低下させ、安定性を増大させる。結合では、一つのｐ軌道が、介在するシグマ結合（より大きな原子ではｄ軌道が関与）の全体で相互に重なる。

熱は、ある特定の部分６２４、６２５で、分子ローターによって受け取られる場合に、エネルギーの変動が異なる原子に分配されるが、これは「振動チェーン」と呼ばれているエネルギーを伝搬するチェーン６２６を生成する。

単一方向パス（ＯＣＨ_３⇔ベンゼン⇔−Ｃ≡Ｃ−⇔ナフタレン⇔ＮＨ_２）が回転中の主コントローラで、振動のチェーンが両方の平面をお互いに反対方向に回転することを確かにする。振動チェーン概念の起源は、当業者に馴染みである。最も興味深いことに、原子振動が原子上に局在化エネルギー密度で１対１の対応関係を有するので、従って振動チェーンがトンネル顕微鏡を用いて観察される。振動の５つすべてのセンター、ＯＣＨ_３⇔ベンゼン⇔−Ｃ≡Ｃ−⇔ナフタレン⇔ＮＨ_２では、電子密度を再分配する。したがって、振動チェーンのすべての部分で結合長と角度が変化して、いわゆる立体配座の遷移が発生する。振動チェーン構造が刻々と変化するので、すべての配座異性体はエネルギー的に結合され、当該システムはある配座異性体から別のものに自然に駆動される。これは、裏返しの配座異性体ではない。

図７は、単一分子６０６と異なる構造を有する類似の分子形状である概略構成図である。数字６０９、６１０、６１１、６１２、６１３、６１４、６１５および６１６の各々は、それぞれ図７の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）に示されている。これらは、単一分子６０６とは異なる構造であるが、類似した分子形状を説明する。それらは、ナフタレンについて、ＮＨ_２、ＮＨＣＯＯＣ（ＣＨ_３）_３、ＮＨＭｅ、ＮＨＣＯＭｅおよびＮＭｅ_２から選択される官能基の一つを有し、ベンゼンの官能基としてＯＨまたはＯＭｅを有する。ベンゼンの官能基は、ナフタレンと水素結合を有する。

分子チップの分子層は、有機および/または無機の合成および/または生体材料の構造物であってもよい。単一分子は、巨大な超分子とポリマー、単一のタンパク質分子、有機色素分子、無機複合体、デンドリマーの単一ユニット、有機金属錯体の範囲にある。超分子複合体の有機、無機または有機金属分子がノイズ下で秩序だった様式でその官能基の相対的な角度回転の基本的な基準を満たす。

図８は、１０ｐＡの定電流で７７ＫでのＳＴＭ像を示すもので、Ｐｔ−Ｉｒ探針・バイアスがスキャン中に可逆的に＋２Ｖと−２Ｖの間で反転する場合を示している。図８（Ａ）-（Ｄ）のＳＴＭ像は、同一の基底状態の構成を有し、異なる分子に切り替えたものである。

分子系は、外部入力エネルギーの変化に対応して動的応答を変更する。時間と分子系に供給されるエネルギー量と共に、分子状態の段階的な変化をマッピングすると、分子のダイナミクスを制御するためのプロトコルを導出できる。異なるエネルギー状態では、分子が異なって機能し、単一または複数の機械的な動きを同時に分子内に生成できる。例えば、熱雑音ｋＴを利用する分子は、ノイズや温度上昇により入力熱エネルギーが変動して、振動、回転、歳差運動および並進運動の異なる段階を経る。
分子の適切な設計によって、分子がノイズや習慣的なエネルギーの任意の形態でポンピングされたときに、一連の原子が次々に振動するような状況が分子内に生成される。これらの一連の振動は厳密に維持され、破壊されない。我々は、これを「振動チェーン」や「ワイヤリング」と呼ぶ。これらの「ワイヤリング」が変更されると、運動状態のモードが変更され、特定形式の動きがトリガされる。このようにして、適切なエネルギーを印加することによって、分子のダイナミクスが制御される。

通常、分子が小さい場合（〜２０−１００原子）には、請求項４の文脈で説明した振動チェーンは、小さくなる。したがって、ｋＴに非常に敏感であるセンターは非常に小さい。したがって、通常は、これらのケースでは、一度にｋＴの少数のユニットに対処するだけである。
ｋＴの操作数は、熱的吸収／脱離センターとこれらセンターに関連付けられた領域の運動状態の関数である。分子の大きさ以上に、これらの特定のパラメータが非常に重要である。これらのパラメータは、環境発電のプロセスに関与するｋＴの量を示す。エネルギー吸収量は、分子若しくは熱的吸収および／または脱離センターの構成原子の性質に依存する。したがって、システム全体の環境発電特性は、単に、センターとこれに関連した領域の熱力学特性を変えることによって調整できる。

図９は、周波数対単分子膜からのｒｍｓ（二乗平均平方根）出力電圧を含むグラフを示す。図９に示すように、曲線６１８は０．００１Ｈｚから５０ＭＨｚまでプロットしてあり、線６１９は最大入力電力を示し、点６２０は最大出力電力である。

分子層は、分子層に沿った電子及び光子キャリアの同期運動を制御するために適切なＡＣ周波数を印加することにより、所望の原子スケールの運動状態を示すように調整される。これにより、電子及び光子の特性は、外部の電磁信号を印加することにより、原子レベルで調整することができる。プロセスに関与する分子の部分および／または分子の操作運動は、回転、振動、並進及び歳差である。

図１０は、分子集合体（Ａ）７０１、（Ｂ）７０２および（Ｃ）７０３の異なる対称性の概略図である。これらは別のＣＶを持っており、温度上昇とともに出力電力が極大に達する。図１０に図示されているように、３つの推定対称性（Ａ）７０１、（Ｂ）７０２および（Ｃ）７０３を用いることで、当該３例の各々について、対称性の破壊が段階的に起きるか計算し、図１１に示されているように、これが最終的に相転移をもたらす。相転移が発生すると、その後、最終的な対称性に達すると、変化がなくなる。したがって、温度上昇が終わった後で飽和状態を観察する。ここでは、ただ３つの相転移を実証しているが、実際には多くのものがある。

相転移の間に、図１１の右側に示すように、単層チップは外部出力負荷に最大電力を供給する。ここでは、理論的な計算によって、チップを所定の温度範囲内のみで最大電力を供給することを示唆している。最も重要なことは、狭い間隔での相転移の数が増えると、チップの動作可能である温度範囲が高温になることである。

図１２は、実験から得られた出力電力を供給された周波数に対して８０１としてプロットされたもので、当該プロットは実験データ６２０を展開したものである。図１１で予測されたデバイスの理論的なシミュレーションをより明確にするために、実験データを拡大している。
時間に対する出力電力プロットは８０２であり、時間の経過とともに実証された揺らぎは、配向が、単分子膜の分子ローターの非同期化欠陥により誘起されるノイズを生成するという事実に起因している。これが、分子構造、相転移領域および動作温度が共に、チップの持続的な電力出力性能の持続時間を最適化することの理由である。

分子チップは、熱的なノイズや他の形態のノイズを採取する。分子チップは、キャリアをある電極から別の電極に直接的に一方向のランダムな伝播と同期させるために音、電気バースト、光を利用できる。動作は以下のようにして調整される：電力またはエネルギー供給の複雑な形態を生成する二つの電極間の特定の時間プロファイルで周期的または半周期的に振動させる。分子チップは、圧力下で存続し、任意の古典的に定義された動力源の不在下でも動作する。

分子の設計を変更するだけで、分子チップは広い周波数範囲で動作できる。そこで、分子チップが動作するエネルギー領域を変更できる。単分子層の運動状態が直接的に出力電力を制御する重要な要因であるため、物理的な力に敏感な分子からなる単分子層に物理的圧力を作用できる。従って、操作装置はロバストに生成できる。
最も興味深い方法の一つは、この分子チップを再設計できることでＡＣ出力信号を調整することである。分子運動がキャリアの流れを決定するので、前記の運動状態を変化させることができ、キャリアの伝搬のために異なる種類の周期的なプロファイルを生成できる。分子チップは、複雑な波形発生器として機能する可能性がある。

本発明のいくつかの実施形態について説明をしたが、それらの記述は例示にすぎず、また限定的なものではなく、ただ例示の態様によって提示されたことは、当業者には明らかである。多数の他の実施形態および変形例は、これに添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に入るものと考えられる。

本発明は、他のエネルギー源を使用することなく、熱雑音を用いるだけで動作する分子機械を提供することができる。したがって、本発明は、遠隔地に位置していて電気・ガス・水道の供給を得ることが困難である場合の、環境センサ、温度センサ等に使用できる。

Claims (17)

1. 環境から熱エネルギーを吸収する分子チップであって、
   導電性または半導体性の基板（１０２）と、
   前記基板上に堆積された単分子層（１０１）と、
   前記基板上に一対の電極を形成する第１および第２の電極（１０３、１０４）とを備え、
   前記単分子層は、前記電極間の長さに沿って予め設計された配向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）を有する多数の分子の配列化された（ａｒｒａｙｅｄ）単分子層であると共に、
   前記単分子層に沿った電子及び光子のキャリアの同期運動を制御するために適切なＡＣ周波数を印加することにより、所望の原子スケールの動力学を示すように調整されることを特徴とする分子チップ。
2. 環境から熱エネルギーを吸収する分子チップであって、
   導電性または半導体性の基板（１０２）と、
   前記基板上に堆積された単分子層（１０１）と、
   前記基板上に一対の電極を形成する第１および第２の電極（１０３、１０４）とを備え、
   前記単分子層は、前記電極間の長さに沿って予め設計された配向（ａｌｉｇｎｍｅｎｔｓ）を有する多数の分子の配列化された（ａｒｒａｙｅｄ）単分子層であると共に、
   入力信号が前記二つの電極の端部との間に印加され、ＡＣバイアスは、外部出力信号の電力の形で行われる関連の仕事を最終的に遂行するような共振駆動運動に、分子部品をトリガし、
   前記単分子層を通過する電界は、すべての分子に前記分子の分岐の運動の周波数を一致させるような共振条件をもたらすことを特徴とする分子チップ。
3. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、直流電界の測定量は、直流電源（１０５）から前記２つの電極間に印加されることを特徴とする分子チップ。
4. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、前記単分子層が熱雑音（ｋＴ）を吸収することを特徴とする分子チップ。
5. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、前記単分子層の複数の分離された領域が印加された電界により配向を変えることを特徴とする分子チップ。
6. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、前記単分子層内のすべての分子が同期して回転することを特徴とする分子チップ。
7. 請求項２に記載の分子チップにおいて、前記分子は、特定ＡＣ周波数での回転、振動、並進又は歳差運動の少なくとも１つを示すように、前記単分子層のために選択されることを特徴とする分子チップ。
8. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、前記単分子層は、有機材料、無機合成材料又は生体材料の少なくとも一つで作られることを特徴とする分子チップ。
9. 請求項８に記載の分子チップにおいて、前記単分子層の単分子が巨大な超分子及びポリマー、単一のタンパク質分子、有機色素分子、無機複合体、デンドリマーの単一ユニット、有機金属錯体の少なくとも1つであることを特徴とする分子チップ。
10. 請求項８に記載の分子チップにおいて、有機的、無機的なナノ又はマイクロのサイズの材料で作られた分子のチップであって、前記半導体性の基板における半導体性の原子表面下との共有結合および非共有結合を形成するために、前記単分子層の単分子を官能化できることを特徴とする分子チップ。
11. 請求項１又は２に記載の分子チップにおいて、前記分子チップが二系統を介して入力電気を通すように、前記二つの電極の間の前記分子チップ表面が導電性金属または半導体性材料の特異的に選択されたものであって、前記分子チップ表面には前記単分子層が成長されており、
    前記二系統の一方部分は前記分子チップ表面の通じて行われ、残余は前記単分子層を介して行われることを特徴とする分子チップ。
12. 請求項１に記載の分子チップにおいて、すべての前記分子が前記同期運動の共振周波数にて回転、振動、並進及び歳差運動の一つまたは複数を選択することで同期運動に達することを特徴とする分子チップ。
13. 請求項６に記載の分子チップにおいて、前記分子が同期化された運動を受けることにより、前記分子チップがその運動を維持するために、請求項４に記載の熱雑音（ｋＴ）を使用して、単一の統合されたシステムとなると共に、
    前記単分子層に沿って位置するキャリアであって、ランダムに電子および／または光子を伝播する前記キャリアは、外部電場の振幅、位相及び周波数と相互作用し、出力端での電力を増幅することを特徴とする分子チップ。
14. 請求項１−８のいずれかに記載の分子チップにおいて、前記熱エネルギーは、ランダムに同期して一の電極から別の電極へ直接一方向にキャリアを伝播するような、熱、音、電気バースト、光の少なくとも一つであることを特徴とする分子チップ。
15. 請求項１−１４のいずれかに記載の分子チップの製造方法であって、
    表面官能基は、所望の分子の対官能部分（ｃｏｕｎｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｐａｒｔ）と反応しうるような、必要とされる活性官能基を生成する表面原子の酸化または還元の化学プロセスによって作成されることを特徴とする分子チップの製造方法。
16. 請求項１０に記載の分子チップの製造方法であって、
    前記半導体性の原子表面上で作成された官能基は、酸化的または還元的カップリング反応と置換反応を経由して、静電相互作用または共有結合によって対官能基ユニット（ｃｏｕｎｔｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｕｎｉｔ）に結合することを特徴とする分子チップの製造方法。
17. 非従来型の発電機、電力増幅器または分子ＤＣ−ＡＣコンバータであって、前記非従来型の発電機、電力増幅器または分子ＤＣ−ＡＣコンバータは請求項１−１４のいずれかに記載の分子チップを含むことを特徴とする非従来型の発電機、電力増幅器または分子ＤＣ−ＡＣコンバータ。