研究人员用蛋白质创建自组装逻辑电路

在一项概念验证研究中，研究人员创建了可以执行简单逻辑功能的自组装、基于蛋白质的电路。这项工作表明，可以创建稳定的数字电路，利用电子在量子尺度上的特性。

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。这是因为产生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，在具有两根相距一纳米的导线的电路上，电子可以在两根导线之间“隧道”并有效地同时在两个位置，从而难以控制电流的方向。分子电路可以缓解这些问题，但由于与制造该规模的电极相关的挑战，单分子结的寿命很短或产量很低。

北卡罗来纳州立大学化学副教授、描述这项工作的论文的共同通讯作者 Ryan Chiechi 说：“我们的目标是尝试创建一种分子电路，利用隧道对我们有利，而不是与之对抗。”

剑桥大学的 Chiechi 和共同通讯作者 Xinkai Qiu 通过首先将两种不同类型的富勒烯笼放置在图案化的金基板上来构建电路。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复合物。

不同的富勒烯诱导 PSI 蛋白以特定方向在表面上自组装，一旦将镓铟液态金属共晶 EGaIn 的顶部触点印在顶部，就会产生二极管和电阻器。该过程既解决了单分子结的缺点，又保留了分子电子功能。

“在我们想要电阻器的地方，我们在 PSI 自组装的电极上图案化了一种富勒烯，在我们想要二极管的地方，我们图案化了另一种类型，”Chiechi 说。“定向 PSI 对电流进行整流——这意味着它只允许电子沿一个方向流动。通过控制 PSI 集合中的净方向，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集合与人造电极相结合，并制作了简单的逻辑电路，利用电子隧穿行为来调节电流。

“这些蛋白质散射电子波函数，以尚未完全理解的方式介导隧道效应，”Chiechi 说。“结果是，尽管有 10 纳米厚，但这个电路在量子水平上起作用，在隧道效应下运行。而且因为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。我们实际上可以打印电极在这些电路之上并构建设备。”

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，并将它们整合到脉冲调制器中，该调制器可以通过根据另一个输入的电压打开或关闭一个输入信号来对信息进行编码。基于 PSI 的逻辑电路能够切换 3.3 kHz 的输入信号——虽然在速度上无法与现代逻辑电路相媲美，但它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基本逻辑电路，它同时依赖于二极管和电阻器，”Chiechi 说。“我们在这里展示了你可以构建强大的集成电路，在高频下与蛋白质一起工作。

“就直接用途而言，这些基于蛋白质的电路可能会导致电子设备的发展，以增强、取代和/或扩展经典半导体的功能。”

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