JP6386766B2 - 自由熱雑音から電力を発生させる分子チップ - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (17)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
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