分子计算:逻辑层

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新闻来源:《自然》杂志
逻辑是现代计算机的核心。执行逻辑操作的元件是逻辑门。在一系列输入的基础上，逻辑门产生一个数字输出。在电子计算机内部，逻辑门电路被印刷在硅片表面，它们的输入和输出是电压。然而这些并不是形成逻辑电路的唯一方式。科学家们描述了一种将具有氧化还原活性的分子固定在玻璃表面所构成的化学逻辑门。

使用分子构建逻辑门的尝试开始于大约15年前，到现在可以说已经有了初步的发展。尽管电子逻辑电路已经取得了巨大成功，分子逻辑门仍然有其潜在的优势--不仅仅因为它们在更小的空间尺度上进行操作。分子逻辑门使用化合物浓度作为输入，生成一种特定的化合物，通常伴随着颜色改变或类似的容易进行识别的属性作为输出。到目前为止，大多数获得成功的分子逻辑门例子都是在溶液中实现，但如果能将活性逻辑分子铺展在固体表面上则可以带来许多好处。例如，只需要少量的材料，并且逻辑门可以容易的回收与重用，极大的减少了我们的工作量。

他们使用包含金属锇或钌的有机分子构建逻辑门，将这些分子固定在玻璃表面形成一个单分子层。结合在有机化合物上的金属处于两种氧化状态中的一种，这个状态提供了分子逻辑门的输出。在一定的条件下，使用适当的氧化剂或还原剂处理固定在玻璃表面的复合物，可以将金属从一个氧化状态转化到另一个氧化状态。不同的氧化状态具有不同的颜色。包含还原形式锇（Os2+）的复合物在516nm波长时比包含氧化形式（Os3+）的复合物具有更强的吸光性，而在317nm波长时情况则相反。通过测量一定波长下的吸光强度可以鉴定逻辑门的氧化状态，从而提供设备的输出信息。

特定的氧化还原反应物和溶剂高或者低的浓度可以作为设备的输入。例如存在银离子和二氯甲烷溶剂的情况下，包含锇的分子将转化为氧化形式而在317nm波长处具有强的吸光性。不存在银离子或换一种不同的溶剂（如酒精）的情况下，锇将保持在起始的还原状态，在317nm波长处具有弱的光吸收。用数学术语来描述的话这是一个二输入的“AND”门。存在或不存在银和二氯甲烷是两个输入（存在为1，不存在为0），317nm波长处的吸光强度为输出（1为高吸收，0为低吸收）。

更多信息请参考：http://www.nature.com/nature/journal/v454/n7203/full/454417a.html《Molecular computing: A layer of logic》