《Nature Chem.》：单分子DNA构成的最小二极管

二极管是现代电子产品中最基本的组成部分之一。为了制造出越来越小的电子产品，显然缩小二极管的尺寸是主要目标之一。最近，由美国佐治亚大学Bingqian Xu博士和以色列内盖夫本·古里安大学Yonatan Dubi博士领导的研究团队，利用单分子DNA研发出了一种世界上最小的二极管。这种二极管小到甚至不能用常规显微镜看到，这项研究成果发表在《Nature Chemistry》上。（Molecular rectifier composed of DNA with high rectification ratio enabled by intercalation. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2480）

Bingqian Xu博士。图片来源：University of Georgia

二极管的作用是使电流向一个方向流动，而不能向反方向流动。换言之，它们负责控制很多常见的电子元件中的电流，并且以数百万的规模被嵌入硅基芯片中。但要增加这些芯片的处理能力，这些二极管还需要变得更小。

“50年来，我们已经能够让越来越小的芯片具有越来越多的计算能力，但现在我们已经推进到了硅的物理极限，”Bingqian Xu说，“我们的发明能帮助设计和制造比现在元件至少小1000倍纳米级电子器件。”

在考虑设计更小的二极管和电子器件时，研究人员长期以来一直着重于使用单分子，因为它们是可以想到的最小的稳定结构。沿着这种思路，研究人员认为DNA可能是一个完美的候选，因为它有可预测的结构，也具有多样性，而且也高度可编程。但他们不太确定的是，DNA是否能像二极管那样控制电流的流动。

需要明确的是，目前没有二极管具有所谓“完全”的有效性，即在一个方向100％地阻止电流，并在另一个方向允许无限的电流通过。在现实中，二极管依然会让微小的电流在前后两个方向都通过。总体而言，二极管在两个方向上传输电流的能力应该具有不平衡性，而且这种不平衡越大越好。

为了让DNA做到这一点，该团队利用了一个只有11个碱基对的DNA分子，要知道，在每一个人体细胞中都含有超过30亿碱基对。然后，他们在DNA螺旋结构中增加了一个叫coralyne的分子，然后将其与一个只有几个纳米大小的微型电子电路相连接。出人意料的是，DNA竟然是一个相当不错的二极管，流经该分子正反两个方向的电流比例能够达到15倍。

“这一发现是非常违反直觉的，因为在插入coralyne后其分子结构看起来仍然是对称的，”Xu说。

虽然DNA二极管令人印象深刻，但它的效率并不像以前创建的一些其他单分子二极管那样高。但是，DNA二极管却比之前所有的单分子二极管都小得多，这意味着可以将更多的二极管整合到芯片上，并可能制造出体积更小、功能更强大的微电子设备。

该小组目前正在寻求进一步提高DNA二极管的效率，让其有一天能与硅二极管竞争。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2480.html

2. http://news.uga.edu/releases/article/single-molecule-of-dna-worlds-smallest-diode-0416/