模拟纳米流体计算的简单逻辑

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员重新启发了基于流体而不是硅的计算机理念，通过模拟石墨烯中离子(带电原子)的捕获，展示了如何在液体介质中进行计算逻辑运算(漂浮在盐溶液中的一片碳原子。该方案还可用于水过滤，储能或传感器技术等应用。

使用液体介质进行计算的想法已经存在了几十年，并且已经提出了各种方法。在其潜在的优点中，这种方法需要非常少的材料，并且其柔软的部件可以符合例如人体中的定制形状。

NIST的基于离子的晶体管和逻辑运算在概念上比早期的提议更简单。新的模拟结果表明，浸入液体中的特殊薄膜可以像固体硅基半导体一样工作。例如，该材料可以像晶体管那样起作用，该开关在计算机中执行数字逻辑操作。通过调节生物系统中盐浓度诱导的电压水平，可以打开和关闭胶片。

NIST理论家亚历克斯·斯莫利亚尼茨基说：“以前的设备更复杂，更复杂。” “这种离子捕获方法实现的是概念简单。此外，同样精确的器件可以充当晶体管和存储器件 - 您只需要切换输入和输出。这是一个直接来的功能来自离子捕获。“

NIST分子动力学模拟的重点是尺寸为5.5×6.4纳米(nm)的石墨烯片，以及一个或多个衬有氧原子的小孔。这些孔类似于冠醚 - 已知能捕获金属离子的电中性环状分子。石墨烯是一片以六边形排列的碳原子，形状与鸡丝相似，导电并可用于制造电路。这种六边形设计似乎适用于毛孔，事实上，其他研究人员最近在实验室中在石墨烯中形成了类似冠状的孔。

在NIST模拟中，石墨烯悬浮在含有氯化钾的水中，氯化钾是一种分解成钾离子和钠离子的盐。设计冠醚孔以捕获具有正电荷的钾离子。模拟显示，在每个孔中捕获单个钾离子可防止额外的松散离子穿过石墨烯，并且可以通过在膜上施加不同的电压水平来调节捕获和穿透活动，从而创建0和1的逻辑运算(参见文本)下面的方框)。

被困在孔隙中的离子不仅阻挡了额外的离子渗透，而且还在膜周围形成电屏障。距离膜仅1纳米，这个电场增强了阻挡层或离子通过所需的能量，比膜本身高出30毫伏(mV)。

在膜上施加小于150mV的电压会使任何穿透“关闭”。基本上，在低电压下，膜被捕获的离子阻挡，而松散离子敲除捕获的离子的过程可能被电屏障抑制。在300mV或更高的电压下接通膜渗透。随着电压的增加，失去被捕获离子的可能性增加，并且由于弱电屏障的推动，敲除事件变得更加普遍。以这种方式，膜在传输钾离子中起到半导体的作用。

为了制造实际装置，需要在石墨烯的物理样品或仅几个原子厚度的导电的其他材料中可靠地制造冠醚孔。其他材料可提供有吸引力的结构和功能。例如，可以使用过渡金属二硫化物(一种半导体)，因为它们适合于一系列孔结构和排斥水的能力。

在液体中进行逻辑运算

NIST模拟显示离子俘获取决于多孔石墨烯膜上的电压，表明可以执行简单的基于离子的逻辑操作。在足够低的盐浓度下，膜的高导电性(开启)状态与低捕获离子占有率一致，反之亦然。可以在电路中使用的膜电压的直接电测量是所谓的“读取”操作。

如果以适当的盐浓度在膜上施加表示为0的低电压，则膜几乎不导电(关闭)并且其孔完全被捕获的离子占据。因此，在膜处测量的石墨烯电路中的电荷相对较高，表示为1.相反，当施加表示为1的高电压(大于300mV)时，膜具有高导电性(on)，更少离子被捕获，因此测量膜本身的低(0)能态。

输入 - 输出关系可以被视为非逻辑门或操作，其中输入和输出值被反转。如果0进入，则1出现，反之亦然。使用两个石墨烯片可以进行OR(XOR)逻辑操作。在这种情况下，只有当两个薄片中的任何一个具有高导电性时，输出值或两个薄膜状态之间的差异才为1。换句话说，如果输入不同，则输出为1，如果两个输入相同，则输出为0。

即使施加电压的微小变化也会导致潜在的膜电荷或电流的相对大的变化，这表明可以进行灵敏的切换。因此，冠状孔中的电压可调离子捕获可用于存储信息，并且可以使用简单但灵敏的离子晶体管来执行纳米流体计算设备中的复杂逻辑操作。