研究人员发明用蛋白质制造的可打印的自组装逻辑电路

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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。

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。"

 

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