通信技术|研究人员发明用蛋白质制造的可打印的自组装逻辑电路研究人员发明用蛋白质制造的

在一项概念验证研究中，科学家们创建了能够执行简单逻辑功能的自组装的蛋白质电路。这项工作表明，利用电子在量子尺度上的特性来创建稳定的数字电路是可行的。创建分子电路的绊脚石之一是，随着电路尺寸的减小，电路变得不可靠。这是因为创造电流所需的电子在量子尺度上表现得像波，而不是粒子。

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例如，在一个有两根相距一纳米（十亿分之一米）的电线的电路上，电子可以在两根电线之间的"隧道"穿梭并有效地同时出现在两个地方，从而使电流的方向难以控制。分子电路可以缓解这些问题，但由于在这种规模下制造电极的挑战，单分子结的有效存在时间是短暂的或低产量的。
北卡罗来纳州立大学化学系副教授Ryan Chiechi说："我们的目标是尝试创建一个分子电路，利用隧道的优势，而不是对抗它。"
Chiechi和剑桥大学的共同通讯作者Xinkai Qiu首先将两种不同类型的富勒烯笼子放置在有图案的金基底上，从而构建了这些电路。然后他们将该结构浸入光系统一（PSI）的溶液中，这是一种常用的叶绿素蛋白质复合物。
不同的富勒烯诱导PSI蛋白以特定的方向在表面上自组装，一旦镓铟液态金属共晶的顶部触点被印在上面，就会产生二极管和电阻。这个过程既解决了单分子结的缺点，又保留了分子电子的功能。
Chiechi说："在我们想要电阻的地方，我们在PSI自组装的电极上印制了一种富勒烯，而在我们想要二极管的地方，我们印制了另一种类型，" 。"定向的PSI能整流，这意味着它只允许电子向一个方向流动。通过控制PSI集合体的净方向，我们可以决定电荷如何流过它们。"
研究人员将自组装的蛋白质组合与人类制造的电极结合起来，并制作了简单的逻辑电路，利用电子隧道行为来调节电流。
Chiechi说："这些蛋白质散射电子波函数，以仍未完全理解的方式介导隧道行为。其结果是，尽管厚度为10纳米，但这个电路在量子水平上发挥作用，在隧道系统中运行。而且由于我们使用的是一组分子，而不是单个分子，所以结构是稳定的。我们实际上可以在这些电路的顶部打印电极，并建立设备。"
研究人员从这些电路中创建了简单的基于二极管的AND/OR逻辑门，并将其纳入脉冲调制器，该调制器可以根据另一个输入信号的电压，通过打开或关闭一个输入信号来编码信息。基于PSI的逻辑电路能够切换3.3kHz的输入信号--虽然在速度上不能与现代逻辑电路相提并论，但仍然是迄今为止报道的最快的分子逻辑电路之一。
"这是一个概念验证的初级逻辑电路，它同时依赖于二极管和电阻，"Chiechi说。"这可以表明可以用蛋白质建立强大的、能在高频率下工作的集成电路。就眼前的效用而言，这些基于蛋白质的电路可能会导致电子设备的发展，从而增强、取代和/或扩展经典半导体的功能。"
这项研究发表在《自然通讯》上。共同作者Chiechi和Qiu曾在荷兰的格罗宁根大学工作。
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