研究将DNA折纸和光刻技术相结合，向分子计算机迈进了一步

分子计算机组件可以代表一场新的IT革命，帮助我们创造更便宜、更快、更小、更强大的计算机。然而，研究人员很难找到更可靠、更有效地组装它们的方法

为了帮助实现这一目标，捷克科学院物理研究所的科学家研究了分子机器自组装的可能性，该可能性建立在自然进化所磨练的解决方案之上，并利用与当前芯片制造的协同作用。

当前硅基计算机芯片的小型化是有限的。使用单分子大小的开关和存储器的分子电子学可以在计算机的尺寸、速度和功能方面带来一场革命，同时减少其不断增加的功耗，但其大规模生产是一个挑战。组件的大规模、低缺陷、可接近的纳米制造和组装仍然难以捉摸。从大自然中汲取的灵感可以改变这种现状

由两个分子组成的分子电路的小型原型目前正在通过扫描探针显微镜生产，该显微镜通过缓慢、沉重的宏观悬臂一次一个分子地操纵它们

发表在《ACS Nano》杂志上的这项研究的负责人Prokop Hapala将其比作用一台巨大的起重机一次一块瓷砖建造一幅精致的马赛克。自组装可以解决这个问题，但也带来了其他挑战。例如，当只有少量的结构信息可以编码成几个官能团之间的相互作用时，我们如何产生各种结构

捷克科学院物理研究所的研究人员从自然界中获得了灵感，在自然界中，DNA或RNA等聚合物模板中的功能和结构成分是解耦的。在那里，糖磷酸盐代表支架，通过氢键键合的核碱基提供信息存储

由于这些键，这些信息聚合物可以自我组装成复杂的形状，并驱动其他较小分子的自我复制或合成。这种方法已经被用于“DNA折纸”，它可以产生所需形状和功能的复杂分子。但是，我们如何扩大这一过程并实现更大的多样性呢

作者之一Paolo Nicolini解释道：“已知的DNA碱基对——人们可以天真地认为是最好的选择——不能按原样使用。”。“它们在细胞中工作得很好，但这是由于环境和其他细胞机制。在与纳米制造兼容的条件下，它们的选择性不够。”

Mithun Manikandan、Paolo Nicolini和Prokop Hapala决定将DNA折纸和光刻技术提供的可能性相结合，来布局当代芯片的复杂结构。这可能为大规模生产与现代芯片制造技术集成的革命性分子电路铺平道路；它可以使从当前的计算机机器平稳过渡到下一个级别

为了实现这一点，研究人员提议用光敏二乙炔取代磷酸糖骨架。他们使用详细的模拟来筛选互补的氢键端基，这些端基将在芯片生产中使用的条件下驱动晶格上的自组装

使用二乙炔衍生物作为骨架，因为当通过紫外线或电子注入引发时，它们可以在这些条件下有效聚合，并且在计算机中研究了类似于DNA/RNA碱基的单元（遗传密码的“字母”），作为驱动组分组装成预期形状的端基

目标是找到互补对，其中两个单元可靠地相互结合，而不是与其他单元结合&mdash；这种特性，同样类似于DNA的工作方式，将能够创建确定性的复杂电路模式。研究人员发现，含有纯氢供体端基的单元特别合适。发现了16个有前景的候选单元，为实验研究和最终的工业应用铺平了道路

这些结果对DNA计算和人工DNA类似物具有有趣的意义。在筛选中发现的最可行的四个字母出现在结合能为15&minus的非常窄的区域；25千卡/摩尔，并且所有这些都依赖于测试端基的一小部分

尽管只有一小部分可能的字母空间可以高精度测试，但这表明DNA字母表可能不仅仅是“时间冻结的意外”的结果，而且可能是一个稳定且在能量上有利的选择。在测试空间中没有发现六个字母的字母，但新的选择性机制和氢键以外的非共价键（如卤键）可能会实现这些功能。以类似的方式，可以测试治疗和药物DNA类似物的可能性

这项工作将进一步提高分子的合成可用性，并克服实验限制。虽然我们大多数人可能是在依赖硅基晶体管的机器上读到这篇文章的，但我们很快就会开始平稳地过渡到部分使用分子纳米电子器件的机器。这项工作代表着朝着这样一个未来迈出的又一步