液体介质中的逻辑运算仿真：让我们离液体计算设备更进一步！
导读
美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员模仿在悬浮于盐溶液中的石墨烯薄片中捕获离子，从而展示了如何在液体介质中展开计算机逻辑运算。这一技术也可用于水过滤、能量存储、传感器技术等。
背景
由“硅”晶体管构成的传统计算机与电子产品，往往僵硬且易碎，无法被弯曲、拉伸、扭曲。为了克服传统计算机的种种缺点，如今科学家们正在打造具有可弯曲、可拉伸、可扭曲的柔性电子产品。
除了石墨烯和二维材料等新材料之外，液体介质也是一种非常重要的取代硅的方案。这种想法大约已有几十年的历史，科学家们也提出了各种各样的方案。采用液体介质具有许多潜在的优势，比说需要的材料非常少，还有就是制成的柔性元件可与人体等定制形状相适应。
创新
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员也在考虑液体取代硅。近日，他们模仿在悬浮于盐溶液中的石墨烯（由单层碳原子构成的平面结构）中捕获离子（带电原子），展示了如何在液体介质中展开计算机逻辑运算。
NIST 科研人员在盐溶液中模仿计算机逻辑运算，溶液中具有石墨烯薄膜（灰色），该薄膜中具有内含氧原子的孔洞（红色），可以在特定的电气条件下捕获离子（紫色）。
（图片来源：NIST）
技术
从概念上来说，NIST 开发的基于离子的晶体管以及逻辑运算，比早期的方案更简单。新的仿真显示，这种沉浸于液体中的特殊薄膜能像固体硅基半导体一样工作。例如，这种材料可以作为晶体管（一种在计算机中执行数字逻辑运算的开关）。调整电压水平可以打开和关闭这个薄膜，如同生物系统中的盐浓度变化引起的电压水平改变一样。
NIST 理论家 Alex Smolyanitsky 表示：“之前的设备要复杂得多，这种离子捕获（ion-trapping）方案实现了简单的概念。此外，同样的设备既可以作为晶体管，也可以作为存储器件，你只需要切换输入和输出就可以实现。这项功能直接来源于离子捕获。”
NIST 的分子动力学仿真着重研究了尺寸为5.5纳米乘6.4纳米的石墨烯薄片，薄片中具有内含一个或多个氧原子的小洞。这些孔洞类似于冠醚，冠醚是一种电中性环状分子，可用于捕捉金属离子。
石墨烯是由单层碳原子按照六边形进行排列组成的薄片，形状类似于蜂巢或者细铁丝网，其导电性能非常好，可用于构造电路。这种六边形设计似乎适合创造孔洞。实际上，其他的研究人员近期已经在实验室创造出了石墨烯中的冠状孔。
（图片来源：维基百科）
在 NIST 的仿真中，石墨烯悬浮于含氯化钾的水溶液中，氯化钾是一种可以分解为钾离子和氯离子的盐。这种冠醚孔洞设计可捕捉带正电荷的钾离子。仿真也显示，在每个孔洞中捕捉单个钾离子，阻止了另外的松散离子透过石墨烯进行任何渗透，并且跨越薄膜施加不同的电压可以调整这种捕捉和渗透活动，从创造出一连串的0和1。
NIST 的仿真表明，离子的捕获取决于施加于多孔石墨烯薄膜的电压，这表明展开基于离子的简单运算是可能的。在足够低的盐浓度下，薄膜的高导电（开）状态与囚禁离子的低占有率相对应，反之亦然。对于薄膜电压进行直接电气测量，可应用于电气电路，也称为“读取”操控。
如果代表“0”的低电压施加于具有适当盐浓度的薄膜，薄膜几乎是非导电（关）状态，其孔洞完全被囚禁离子占有。因此，在薄膜中测量到的石墨烯电路中的电荷相对较高，表示为“1”。相反，当代表“1”的高电压（超过300
mV）施加于薄膜时，薄膜变为高导电（开）状态，较少的离子被囚禁，这样薄膜中测量到的能量状态相对较低，表示为“0”。
这样的输入输出关系可视为“非（NOT）门”，或者说是，一种输入输出值刚好相反的运算。如果，进来的是“0”，那么出去的就是“1”，反之亦然。两个石墨烯薄片则可以实现“或（OR）”和“异或（XOR）”逻辑运算。在“或”运算的情况下，当两个薄片中任一个是高导电状态时，输出值就是“1”。在“异或”运算情况下，只有当输入的两个值不相同时输出值才是“1”，如果输入两个值相同则输出值是“0”。
（图片来源：参考资料【2】）
囚禁于孔洞中的离子不仅阻止了另外的离子渗透，而且创造出围绕薄膜的电气屏障。离薄膜1纳米远的地方，这个电场增强了屏障，或者说是离子通过所需的能量，比薄膜本身高 30 毫伏（mV）。
跨越薄膜施加的电压低于 150 mV 将“关闭”任何渗透。从根本上说，在低电压条件下，薄膜被囚禁离子封锁住了，而松散离子“踢出”囚禁离子的过程很可能受到电气屏障的抑制。当施加 300 mV或者更高的电压时，薄膜渗透又会被“打开”。随着电压增长，囚禁离子丧失的可能性在增加，在电气屏障减弱的鼓励下，“踢出”事件更加普遍。通过这种方法，在运输钾离子过程中，薄膜就像一个半导体。
为了制造真实的设备，需要在石墨烯或者其他材料（只有几个原子的厚度并导电）的物理样品中可靠地制造冠醚孔洞。然而其他材料可能会带来引人注目的结构和功能。例如，过渡金属卤化物（一种半导体）将会被采用，因为它不仅经得起一系列孔洞结构的检验，而且是防水的。
价值
即使施加电压存在微小的波动，也会导致薄膜中电荷或者电流较大的变化，这样有望实现灵敏的切换。因此，冠状孔洞中的电压可调的离子捕获将可以用于存储信息。简单来说，目前灵敏的离子晶体管也将应用于纳米流体计算设备中的复杂逻辑运算。此外，这一技术还有望应用于水过滤、能量存储、传感器技术等方面。
关键字
参考资料
【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
了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984