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基于DNA折纸术的分子逻辑电路设计


发布部门:科技处  发布时间:2015-04-08  浏览次数:

项目名称

基于DNA折纸术的分子逻辑电路设计

应用领域

分子逻辑电路研制

联系人

张勋才

电话

13938550509

E-mail

技术来源

国家自然科学基金委员会,项目编号:61076103

专利情况

所属行业

电子信息

1.成果简介:

随着微电子器件集成度的提高,缩小芯片来改善性能所衍生的成本,是科技能否跟上摩尔定律的主要限制因素,同时也是半导体产业所共同的关切。能显著缩小晶体管尺寸的纳米电子技术尤其引人注目,其中碳纳米管因其具有独特的优良特性被视为替代硅材料的一个理想选择。采用RothemundDNA“折纸术”,事先对DNA链的序列通过计算机程序进行设计;用DNA分子修饰碳纳米管,并“绘制”各种形状的电子元器件;利用碱基互补的原理在预定的位置上合成或生长碳纳米管,来形成碳纳米管阵列。再通过引导金属颗粒在DNA分子表面的聚焦,进一步构建碳纳米管分子逻辑电路,有望使目前电子线路间近乎65纳米要的最小间距缩小到6纳米左右。这意味着,通过对碳纳米管的可控排列操作,使目前逻辑电路发展的线宽瓶颈有望再次获得突破。通过对本项目的研究,有望有效平衡芯片的性价比,同时缓解改善芯片性能的限制因素。

本项目利用DNA折纸作为模板成功构建了纳米规模的逻辑电路与门”和“或门”。利用这种在DNA折纸模板上固定CNT的方法,可以使CNT在自组装过程中显著减少结果错误。另外,这个设计过程和其他标准的微型构建技术也是兼容的。同时基于链置换级联反应构建了基本的逻辑门和逻辑门,并采用双逻辑形式来表达,实现了基本逻辑门与双逻辑门间的等效转换。在基本逻辑门的基础上,遵循加数和被加数经异或操作得和位值,经操作得进位值的计算法则,实现了两个一位二进制数半加器的构造设计,将两个半加器组合便实现了全加器的运算。通过对数字信号与DNA分子信号进行基本逻辑电路、双逻辑电路及生化逻辑电路间的等效转换,完成了关于半加器和全加器的生化电路模型的搭建。

2.应用领域:

作为DNA纳米技术研究领域一个强有力的工具,为人们实现对DNA生化反应进程的控制和DNA纳米功能体的操控提供了可行手段,为人们实现动态DNA自组装纳米技术提供了坚实的理论基础,在构建具有电子电路功能的分子逻辑电路和实现特定目标识别与运送能力的纳米机器方面具有巨大的应用潜能:

1构建运动及功能型纳米机器。DNA作为一种纳米级的生物大分子,以其精确的分子识别能力和序列的可编程性,已经成为构造纳米装置的良好材料,再结合DNA链置换技术,利用分子杂交系统自由能趋向稳定的特性,通过适当的序列设计和条件控制,可实现人工操控DNA结构或构象变化的目的,进而使构造预期的功能性纳米结构及实现纳米体纳米尺度的可控运动成为可能。

2整合DNA逻辑门,自底向上地构建DNA计算机体系结构。DNA分子因其在自组装过程中展现出来的高度并行能力和丰富的碱基编码方式,以及所蕴藏的海量信息存储能力等性质,为其解决复杂的困难类数学问题提供了基本条件,这使得利用DNA分子自底向上地构建DNA计算机体系结构成为可能。目前,利用DNA链置换技术构建具有输入输出功能的逻辑门是目前该领域国内外研究的热点。研究者们将进一步探索DNA链置换技术的功能和用途,深入挖掘其在纳米分子领域自发操控的潜能,逐步实施不同逻辑运算单元的物理整合,实现不同逻辑门之间有规律的连接,构建多级分子回路,达到相同信号在每个元件中都可以作为输入输出信号的效果,使不同逻辑运算单元之间协同处理数据输出最终结果。

此外,还可以进一步与纳米颗粒、量子点、蛋白质等相结合,从而促进了包括并行计算、密码集成、纳电子学等研究领域的共同发展。而基于DNA分子的逻辑门极还可用来构建生物传感器,将其与药物释放耦合起来,在疾病标记物的作用下实现药物的释放以达到治疗疾病的目的,这为未来疾病的靶向目标治疗提供了新思路。在未来发展中,逻辑计算还可与纳米线、纳米电路以及一些纳米结构的传输特性相结合来构建复杂的逻辑运算。

3.预期经济效益:

基于DNA折纸术的分子逻辑电路设计DNA计算、DNA纳米结构设计等研究领域的重点和难点,课题的研究成果将提高DNA自组装技术的规模和可靠性,并为分子传感器、靶向基因治疗、分子标记等其他工程应用提供可靠的理论和技术支持。

该研究领域所涉及的硬件、系统软件及相关技术,与电子信息产业结构中的高新技术产品紧密相关。同时,本研究领域与相关生物技术,如DNA芯片技术、DNA纳米技术和生物信息技术等也有着紧密的联系。随着本项目研究成果的进一步完善与推广,将会对分子电子学研究领域中纳米分子电路的基础研究产生积极的促进作用,有望为加快我省电子信息产业的升级转型和生物技术产业的跨越发展产生积极的推动作用。

4.投资规模:

软件设计在几万元至二十万元之间,要根据具体应用要求来定。

5.研究现状:

本系统已研发完毕。

 

6.合作形式、条件:

合作研究。

备注

 

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