液體介質中的邏輯運算模擬：讓我們離液體計算設備更進一步！
背景
由「硅」晶體管構成的傳統計算機與電子產品，往往僵硬且易碎，無法被彎曲、拉伸、扭曲。為了克服傳統計算機的種種缺點，如今科學家們正在打造具有可彎曲、可拉伸、可扭曲的柔性電子產品。
除了石墨烯和二維材料等新材料之外，液體介質也是一種非常重要的取代硅的方案。這種想法大約已有幾十年的歷史，科學家們也提出了各種各樣的方案。採用液體介質具有許多潛在的優勢，比說需要的材料非常少，還有就是製成的柔性元件可與人體等定製形狀相適應。
創新
美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員也在考慮液體取代硅。近日，他們模仿在懸浮於鹽溶液中的石墨烯（由單層碳原子構成的平面結構）中捕獲離子（帶電原子），展示了如何在液體介質中展開計算機邏輯運算。
NIST 科研人員在鹽溶液中模仿計算機邏輯運算，溶液中具有石墨烯薄膜（灰色），該薄膜中具有內含氧原子的孔洞（紅色），可以在特定的電氣條件下捕獲離子（紫色）。
（圖片來源：NIST）
技術
從概念上來說，NIST 開發的基於離子的晶體管以及邏輯運算，比早期的方案更簡單。新的模擬顯示，這種沉浸於液體中的特殊薄膜能像固體硅基半導體一樣工作。例如，這種材料可以作為晶體管（一種在計算機中執行數字邏輯運算的開關）。調整電壓水平可以打開和關閉這個薄膜，如同生物系統中的鹽濃度變化引起的電壓水平改變一樣。
NIST 理論家 Alex Smolyanitsky 表示：「之前的設備要複雜得多，這種離子捕獲（ion-trapping）方案實現了簡單的概念。此外，同樣的設備既可以作為晶體管，也可以作為存儲器件，你只需要切換輸入和輸出就可以實現。這項功能直接來源於離子捕獲。」
NIST 的分子動力學模擬著重研究了尺寸為5.5納米乘6.4納米的石墨烯薄片，薄片中具有內含一個或多個氧原子的小洞。這些孔洞類似於冠醚，冠醚是一種電中性環狀分子，可用於捕捉金屬離子。
石墨烯是由單層碳原子按照六邊形進行排列組成的薄片，形狀類似於蜂巢或者細鐵絲網，其導電性能非常好，可用於構造電路。這種六邊形設計似乎適合創造孔洞。實際上，其他的研究人員近期已經在實驗室創造出了石墨烯中的冠狀孔。
（圖片來源：維基百科）
在 NIST 的模擬中，石墨烯懸浮於含氯化鉀的水溶液中，氯化鉀是一種可以分解為鉀離子和氯離子的鹽。這種冠醚孔洞設計可捕捉帶正電荷的鉀離子。模擬也顯示，在每個孔洞中捕捉單個鉀離子，阻止了另外的鬆散離子透過石墨烯進行任何滲透，並且跨越薄膜施加不同的電壓可以調整這種捕捉和滲透活動，從創造出一連串的0和1。
NIST 的模擬表明，離子的捕獲取決於施加於多孔石墨烯薄膜的電壓，這表明展開基於離子的簡單運算是可能的。在足夠低的鹽濃度下，薄膜的高導電（開）狀態與囚禁離子的低佔有率相對應，反之亦然。對於薄膜電壓進行直接電氣測量，可應用於電氣電路，也稱為「讀取」操控。
如果代表「0」的低電壓施加於具有適當鹽濃度的薄膜，薄膜幾乎是非導電（關）狀態，其孔洞完全被囚禁離子佔有。因此，在薄膜中測量到的石墨烯電路中的電荷相對較高，表示為「1」。相反，當代表「1」的高電壓（超過300 mV）施加於薄膜時，薄膜變為高導電（開）狀態，較少的離子被囚禁，這樣薄膜中測量到的能量狀態相對較低，表示為「0」。
這樣的輸入輸出關係可視為「非（NOT）門」，或者說是，一種輸入輸出值剛好相反的運算。如果，進來的是「0」，那麼出去的就是「1」，反之亦然。兩個石墨烯薄片則可以實現「或（OR）」和「異或（XOR）」邏輯運算。在「或」運算的情況下，當兩個薄片中任一個是高導電狀態時，輸出值就是「1」。在「異或」運算情況下，只有當輸入的兩個值不相同時輸出值才是「1」，如果輸入兩個值相同則輸出值是「0」。
（圖片來源：參考資料【2】）
囚禁於孔洞中的離子不僅阻止了另外的離子滲透，而且創造出圍繞薄膜的電氣屏障。離薄膜1納米遠的地方，這個電場增強了屏障，或者說是離子通過所需的能量，比薄膜本身高 30 毫伏（mV）。
跨越薄膜施加的電壓低於 150 mV 將「關閉」任何滲透。從根本上說，在低電壓條件下，薄膜被囚禁離子封鎖住了，而鬆散離子「踢出」囚禁離子的過程很可能受到電氣屏障的抑制。當施加 300 mV或者更高的電壓時，薄膜滲透又會被「打開」。隨著電壓增長，囚禁離子喪失的可能性在增加，在電氣屏障減弱的鼓勵下，「踢出」事件更加普遍。通過這種方法，在運輸鉀離子過程中，薄膜就像一個半導體。
為了製造真實的設備，需要在石墨烯或者其他材料（只有幾個原子的厚度並導電）的物理樣品中可靠地製造冠醚孔洞。然而其他材料可能會帶來引人注目的結構和功能。例如，過渡金屬鹵化物（一種半導體）將會被採用，因為它不僅經得起一系列孔洞結構的檢驗，而且是防水的。
價值
即使施加電壓存在微小的波動，也會導致薄膜中電荷或者電流較大的變化，這樣有望實現靈敏的切換。因此，冠狀孔洞中的電壓可調的離子捕獲將可以用於存儲信息。簡單來說，目前靈敏的離子晶體管也將應用於納米流體計算設備中的複雜邏輯運算。此外，這一技術還有望應用於水過濾、能量存儲、感測器技術等方面。
關鍵字
晶體管、邏輯器件、半導體、存儲技術、感測器
參考資料
【1】https://www.nist.gov/news-events/news/2018/06/nist-researchers-simulate-simple-logic-nanofluidic-computing
【2】A. Smolyanitsky, E. Paulechka and K. Kroenlein. 2018. Aqueous ion trapping and transport in graphene-embedded 18-crown-6 ether pores. ACS Nano. Published 28 June 2018. DOI: 10.1021/acsnano.8b01692
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