可作基本数据运算的两个逻辑开关

　　北爱尔兰的化学家们设计了一个运用化学输入信号和光学输出信号的分子水平计算系统，可进行加到二的计算。

　　贝尔法斯特理工学院的化学教授A · P · 席尔瓦（A. Prasanna de Silva）和他的博士生N · D · 麦克莱纳根（Nathan D. McClenaghan） 开发了这个系统（ 见美国化学协会杂志第122期，2000 年）。席尔瓦教授说：“我们终于可以让分子计数了。就我们所知，这是有史以来分子首次能在人脑外进行公认的计算。”这个系统运用了两个相关的分子。其中一个分子带有可发出荧光的基团，作为“和”的开关；而另一个分子则带有可发光的基团，作为“或”的开关。“和”与“或”都是有两个可能输入的逻辑开关，当两个输入信号都是“1”时，“和” 逻辑开关会得出“1”的输出信号；而当两个输入信号不同时（“1”和“0”，或“0”和“1”），“或” 逻辑开关会得出“1”的输出信号。

　　席尔瓦和麦克莱纳根写道：数据运算和逻辑运算是整个信息技术革命的两大支柱，目前，在半导体技术中，数据运算是通过同时利用“和”与“或”这两个逻辑开关来实现的。

　　他们设计的这个系统中的两个分子同样可以平行运作，这两个分子同时带有一个对钙离子敏感的受体和一个对氢离子敏感的受体。任其一种阳离子，只要浓度足够高，就可以代表十进制中的“1”。当两种阳离子的浓度都高时，“和” 开关则发出一种波长为419纳米的荧光，而“或”开关则不反应。这个输出信号，在二进制中代表“10”，在十进制中代表“2”。当只有一种阳离子的浓度足够高时，“或”开关发出波长为纳米的光液，而“和”开关则不反应。这个输出信号，在二进制中代表“01”， 在十进制中则代表“1”。

　　　作者同时指出，这个系统可以对生理水平的氢离子和钙离子发生反应，并且可以在室温下无线操作。他们更进一步说明目前已有可对三种输入信号发生反应的逻辑系统，而且这样的“离子输入- 荧光输出”的逻辑系统在原理上是可以和具有“荧光输入- 离子输出”的中间系统相衔接的。

　　美国加州大学洛杉矶分校的有机化学教授J · F · 斯托达特（J. Fraser Stoddart）评论道：这篇论文真是让人耳目一新。用“或”与“和”的平行运作来进行分子水平的数据运算，真是妙极了。这个天才的设计利用了对同样两个信号敏感的两个分子，通过不同的机理来实现两种不同的逻辑功能并输出两种不同的信号。

　　斯托达特同时指出，虽然这个逻辑系统不需要和电路整合使用，但只有更为复杂的串联信号系统才能真正地实现复杂的逻辑功能。“将来，有必要发展超越分子的复杂系统，不管是单分子层还是薄膜。’大利博洛尼亚大学的化学教授V · 巴尔扎（Vincent Balzani） 也同样认为要进行更为复杂的逻辑运算，需要设计出多成分、多输入信号的化学系统。“这个Belfast 系统标志着向分子水平计算迈出了一大步，但这并不是说我们已经可以用它来造一台超级计算机了。因为这个试验里观察到的还是大量分子的表现。并且，由于大量溶于溶液中，整个系统是处于混乱的状态。”

　　在1997年，巴尔扎、斯托达特和他们的同事们首次验证了分子水平的“或”逻辑运算，巴尔扎的研究小组最近还设计了一个新的分子系统可用作“或”逻辑开关，发表在一篇关于模拟神经元基本功能的人造化学系统的论文里（见2000年4月19日的美国化学协会杂志）。

　　[C&EN，2000年5月1日]