Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

Таблица II

*Добавка NaOI-I повышает чувствительность злектрофлора к току.

**В присутствии НС1 раствор беецпстсм и более прозрачный.

Втабл. 3 приведены для примера некоторые электро­ флоры.

Для нормальной работы электрофлорной ячейки необ­

ходимо, чтобы электрическая информация, подаваемая в нее, имела некоторый определенный диапазон. Иными словами, существует нижнее пороговое напряжение, ко­ торое надо превысить, чтобы произошло видимое измене­ ние цвета. Уже при малом напряжении ионы начинают диффундировать из зоны ионного разбаланса в раствор, вследствие чего достаточно широкая зона цветовой чув­ ствительности получится только тогда, когда напряжение достигнет некоторого уровня, при котором генерация цве­ товой зоны происходит быстрее, чем рассеяние молекул за счет диффузии. Для электрофлориых индикаторов, растворенных в органическом растворителе, при 0,05 %- ном содержании активатора это пороговое напряжение равно —0,7 в, при минимальном токе, протекающем че­ рез ячейку, — 0,1 мка/мм".

Существует также верхний предел подаваемого напря­ жения, выше которого на цветовые изменения в ячейке начинают влиять электролитические реакции. Верхний предел определяется величиной тока, протекающего через

173

ячейку, К последний должен быть меньше тока, вызыва­ ющего обычные электролитические явления. Каждая электрофлорная система имеет свой верхний предел.

Напряжение может быть приложено к ячейке в виде дискретных импульсов либо в виде постоянного или пе­ ременного напряжения. В некоторых случаях току дают протекать через ячейку сначала в одном направлении, а затем в другом; при этом происходит уничтожение пре­ дыдущего импульса.

Интенсивность окраски раствора в ответ на сигнал в определенном диапазоне напряжения (выше порогового и ниже верхнего предельного) меняется линейно, т. е. время пропускания тока определяет скорость появления или интенсивность цвета.

Это явление имеет много полезных применений, о ко­ торых мы скажем ниже.

После прекращения протекания тока окраска ячейки сохраняется в течение времени от долей секунды до не­ скольких минут. Такое свойство ячейки очень полезно при необходимости получения эффекта «послесвечения». Продолжительностью этого эффекта можно управлять путем регулирования pH электрофлора. Длительное после­ свечение получается, если значение pH электрофлора близко к значению pH, при котором происходит измене­ ние его цвета. Для усиления периода послесвечения в состав электрофлора вводят желатину; это позволяет резко снизить скорость диффузии ионов из зоны разба­ ланса. Но часто необходимо чрезвычайно малое время послесвечения — доли секунды. 13 таких случаях стре­ мятся к тому, чтобы значение pH раствора было возможно дальше от значения pH, при котором изменяется цвет индикатора. Период свечения можно сократить еще больше, подав на электроды токовый сигнал и тем самым уничто­ жив зону ионного разбаланса, созданную ранее. Оче­ видно, что регулированием pH электрофлора, подачей реверсивных токовых импульсов или и тем и другим вместе период послесвечения можно изменять от долей секунды до нескольких минут.

Все ВСР-электрофлорные составы пригодны не только для визуальной индикации, но и для хранения инфор­ мации в виде разности потенциалов на электродах, про­ порциональной входному сигналу, поданному в ячейку. Подобный эффект «запоминания» может быть использован

174

в устройствах памяти для вычислительных машин, где электрическая информация снимается электрическими ме­ тодами.

Эффект запоминания в электрофлорной ячейке объяс­ няется накоплением ионов в зоне ионного разбаланса, причем ионы ие вступают в реакции до удаления их из зоны разбаланса путем диффузии или под действием электрического сигнала. Зона ионного разбаланса соз­ дает разность потенциалов между электродами, явля­ ющуюся линейной функцией приложенного электриче­ ского сигнала.

Рассматривая электрофлорную ячейку как устрой­ ство для хранения информации, можно полностью пре­ небречь присутствием электрофлорного индикатора. На­ пример, красный ВСР-электрофлорный состав имеет и с фенолфталеином и без него одинаковые электрические Xарактеристики.

Для хранения информации к ячейке может быть приложено существенно более низкое напряжение, чем для визуальной индикации. Нижний предел для ВСРэлектрофлорной ячейки памяти — несколько вольт в ми­ кросекунду или микровольт в секунду, в то время как окрашенная зона появляется в ячейке при значительно более длительных импульсах.

При полном отсутствии индикатора мы имеем дело уже не с ВСР-, а с СР-электрофлором, в состав которого входят только растворитель и активатор. Растворителем в CP-ячейке обычно служит вода, хотя могут быть ис­ пользованы и органические растворители типа гликолей или гликольных эфиров. Ионизирующийся активатор приготовляется из кислот, щелочей или солей. Состав СР-электрофлоров довольно различен. Это, например,

вода и NaCl (0,05%), вода и НС1 (0,05%), вода и NaOH (0,05%).

При создании эффекта запоминания оптимальная кон­ центрация электрофлорного активатора в CP-ячейке со­ ставляет 0,05—0,1%; практически концентрация актива­ тора чаще всего колеблется в пределах 0,01—1%. При концентрации меньше 0,01% проводимость раствора ста­ новится столь малой, что для создания зоны ионного разбаланса требуется весьма длительное время пропус­ кания тока через ячейку; при концентрации выше 1 % происходят электролитические реакции,

175

Электрическое управление CP-ячейкой ничем не отли­ чается от управления ВСР-ячейкой, используемой как устройство для хранения информации.

Перейдем теперь к описанию устройства, в котором электрофлоры используются и для визуальной индика­ ции и как ячейки памяти.

На рис. 51 показана специальная индикаторная ячейка для транзисторной схемы, в которой требуется визуаль­ ная индикация низких напряжений. В такой ячейке расположены два электрода 1 и 2 из инертного ма­

териала, например платины, погруженные в электрофлор ВСР; электрод 2 спирально навит па электрод 1. Их выводы 3 проходят сквозь стенку ячейки и соединены с источником электрической информации. Можно исполь­ зовать также СР-электрофлор, если не требуется визу­ альной индикации.

Поскольку изменение цвета гораздо чаще происходит около отрицательного электрода, а не около положитель­ ного, внешний спиральный электрод 2 обычно бывает от­ рицательным. При включении источника питания светя­ щийся слой около него более заметен. Если цвет раствора изменяется около положительного электрода, как в слу­ чае сульфата хинина, электрод 2 делается положительным. Электрод 2 может представлять собой покрытие, ндт

17Q

несенное на внутреннюю стенку ячейки; окрашиваемая площадь в таких случаях увеличивается.

Величина напряжения, поддерживаемого в ячейке, зависит от состава электрофлора.

На рис. 51 справа показана та же ячейка, но с другим расположением электродов. Электроды в форме плос­ ких полос или проволок погружены в ВСР-электрофлор и образуют симметричную Ѵ-образную конфигурацию. При приложении напряжения к электродам появляется цветовая окраска, наиболее интенсивная в том месте, где два электрода сближаются. С увеличением входного сиг­ нала окраска распространяется вдоль электродов пропор­ ционально величине входного сигнала.

Устройства, используемые в индикаторах высоты, вычислительных машинах, телеустановках и других слож­ ных схемах, включают множество электрофлорных ячеек, размещенных па плоских матрицах; число и размер этих матриц зависит от назначения устройства.

Такое плоское двухкоординатное устройство с прово­ лочными электродами показано на рис. 52. Каждая пара перекрещивающихся электродных зон, погруженная в электрофлор, работает как отдельная ячейка. Поэтому при подаче входного сигнала можно получить мно­ жество цветовых зон.

Матрица состоит из двух плат 1 ж 2 — стеклянных или из инертной прозрачной пластмассы (полиэтилен). На каждой плате размещается множество параллельных электродов 3. Часто электродами служат тонкие прозрач­ ные золотые полоски или достаточно тонкая свинцовая проволока; те и другие не видны уже на расстоянии 60—90 см. Электроды крепятся к каждой из плат парал­ лельно, после чего платы накладываются одна на дру­ гую, так чтобы полосы электродов, не касаясь друг друга, перекрещивались под прямым углом, образуя индика­ торные зоны. Выводы 4 электродов соединяют их с клем­ мами, присоединенными к источникам информации. Меж­ ду платами помещен промежуточный барьерный слой 5 из материала, инертного к используемому электрофлорному раствору, например из полиэтилена. Платы и барьерный слой жестко соединены винтами, располо­ женными по углам матрицы. Для предотвращения утечки раствора винты закрываются специальными кол­ пачками.

Электрофлор типа ВСР или СР заполняет простран­ ство между платами и внутри отверстий 6, образующихся перфорациями 7 барьерного слоя; тем самым создается контакт между электрофлором и электродами. В каждом таком месте, т. е. там, где электроды перекрещиваются и контактируют с раствором электрофлора, образуется отдельная электрофлорная ячейка. Барьерный слой слу­ жит и для локализации окраски индикаторных зон, в которых создается наибольший градиент потенциала. Изменение цвета происходит около одного электрода —

178

обычно около отрицательного. Если токовый импульс, вызывающий появление окраски, продолжителен, то из­ менение цвета может распространиться от зоны перекре­ щивания вдоль всей длины электрода. Но этому препят­ ствует барьерный слой. Следовательно, окрашенными могут быть лишь зоны внутри перфораций. Наличие большого числа близко расположенных цветовых площадей ячеек создает визуальное ощущение цветности поверхности.

Внешняя электрическая цепь устройства состоит из двух колец 8, в которых имеются щетки 9 для подсо-

Рис. 53. Трсхкоордннатиое матричное устройство дли впзуалыюГі индикации

единения электродных выводов. Источник сигналов 10 подает электрические импульсы в кольца, откуда они поступают в соответствующую зону, вызывая активацию электрофлорной ячейки или ячеек. Можно пользоваться и другими средствами подачи информации, например элек­ тронной переключающей схемой, движущимся электрон­ ным лучом, телеустройством, радарной установкой и т. д.

Очевидно, что плоская матрица с электродами, со­ бранными по схеме полярных координат, может быть использована как дополнение к рассмотренной системе прямоугольных координат. В полярно-координатной схеме одна часть электродных полос монтируется в ма­ трице радиально, а другая часть устанавливается выше или ниже радиальных электродов по концентрическим окружностям. Барьерные слои между электродами мо­ гут быть концентрическими, или радиальными, или теми

12* 179

и другими вместе. Однако концентрическое расположение считается более удобным.

Двухкоординатная матрица обеспечивает визуальную индикацию и хранение электрической информации в от­ вет на входные электрические импульсы. Однако во мно­ гих случаях требуется трехразмерная индикация, т. е. матрица, состоящая из множества прозрачных слоев, каждый из которых реагирует иа подачу входного им­ пульса своей характерной окраской. Такие устройства представляют большую ценность для радарных устано­

снарядов в трехкоординатной системе.

На рис. 53 изображен матричный блок, включающий 300 индикаторных ячеек. На каждой стороне каждой пластины 1 имеется 10 проволочных электродов 2, что обеспечивает 100 индикаторных точек или цветовых зон о, находящихся в контакте с ВСРили СР-электрофлором. Для того чтобы все устройство было прозрачным, ре­ фракторный индекс стекла или пластмассовых пластин, из которых делаются барьерные слои, должен быть бли­ зок к рефракторному индексу электрофлора.

Физико-химическое моделирование биологических процессов

В развитии хемотроники можно проследить две линии. Одна из них техническая — создание разнообразных новых приборов; вторая научная — изучение целого комплекса физико-химических механизмов важнейших биологичес­ ких явлений.

При изучении свойств биологических объектов на са­ мих объектах' обычно невозможно расширить область изучения этих свойств за пределы определенного узкого диапазона, не нарушая условий, поддерживающих жизнь. В этом отношении моделирование биологических объек­ тов имеет исключительную ценность.

В модели можно изучать различные свойства биоло­ гических прототипов в более широком диапазоне. Созда­ ние правильной модели всегда помогает пониманию внут­ ренней сути и причинной обусловленности явления. Еще одна ценная сторона моделирования состоит в том, что

180

оно играет наводящую роль, подсказывая новые экспе­ рименты и давая возможность проверить старые.

Вместе с тем известно, кто построение структурнофункциональных моделей, являющихся аналогами биоло­ гических систем в расширенных условиях поведения, не может проводиться на линейных электронных моде­ лирующих устройствах. Такое построение возможно лишь при использовании элементов нелинейной аналоговой техники, способных моделировать различные зоны не­ чувствительности, пороговые свойства, релейность, осу­ ществлять функциональные преобразования и т. д. Без применения нелинейных пассивных или активных элемен­ тов невозможно моделирование такой, например, важной стороны поведения биологических систем, как адапта­ ция (приспособление к окружающей среде).

Следующим этапом моделирования биологических объектов являются модели, представляющие собой струк­ турно-функциональные совокупности элементов с сосре­ доточенными и распределенными параметрами. В ка­ честве таких элементов естественно использовать элек­ трохимические преобразователи информации. Характери­ стики хемотронных приборов, их способность выполнять функции сложных электронных схем, используемые в этих приборах физико-химические явления — все это

ния физико-химических процессов, лежащих в основе нерв­ ной деятельности, тем более что непосредственное изучение этих процессов на реальных объектах часто бывает крайне затруднительным. В первом десятилетии нашего века под давлением множества фактов основным анатомическим элементом нервной системы был признан нейрон — нервная клетка. Почти во всех биологических видах нервная система представляет собой сеть нейронов, каж­ дый из которых состоит из тела с одним или более вход­ ным отростком, или дендритом, и одним или более вы­ ходным отростком, или аксоном (рис. 54). Место кон­ такта аксона одного нейрона с дендритом соседнего называется синапсом.

Нейроны обычно подразделяются на три класса: сен­ сорные нейроны, генерирующие сигналы в ответ на

181