[发明专利]一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法

说明书

技术领域

本发明属于半加器技术领域，尤其涉及一种基于DNA自组装计算的半加器设计方法。 

背景技术

当前分子器件研究的主要难题是：构筑任何一个分子器件的基本前提是必须将少数几个分子，甚至单个分子镶嵌在两个电极之间，形成金属电极-分子-金属电极(Metal-Molecules-Metal，MMM)的连接器件。这种连接有两种实现方法： 

(1)采用扫描隧道显微镜或导电探针原子力显微镜构筑模型器件； 

(2)采用纳米间隙的电极对，构筑实际的连接器件。 

但这种MMM连接的研究，大多局限在少数大分子如DNA和纳米碳管上。现在，分子与金属电极之间的连接大多是一种简单的机械接触，其接触电阻对器件的作用严重影响了器件的性能与可重复性。为了解决这些问题，在功能材料的末端，可有目的地引入一些用于自组装的功能性基团，通过自组装使材料与电极通过化学键接触而非机械接触结合。 

DNA分子编码地球上所有形式的生命，可以论证：就数据存储和处理而言，它们是已知的最强有力的媒介。然而，迄今DNA几乎没有被用于计算机，其原因主要是：缺乏一种方法，能够将生命分子转换成器件，而器件可以完成逻辑操作。 

现代计算机的基础是布尔逻辑，它要求有一个被称为“门”的半导体单位，将输入信号转换成特定的输出，例如与(AND)门、或(OR)门等。因为一个门 的输出可以作为下一个门的输入，通过布尔单元的分层组合，系统(即集成电路)便有可能对非常复杂的问题给出答案。在电子计算机内部，逻辑门电路被印刷在硅片表面，它们的输入和输出是电压。40年来，随着集成度的提高，硅芯片上安放的电路系统越来越多，尺寸越来越小，己接近物理极限。如果再按传统的方法继续发展下去，有可能使电路内的部件，如晶体管、电阻、电容、连线等由于体积太小而丧失它们的功能。分子器件是今后微电子学的发展方向，是现今硅基集成电路在尺寸方面的极限导致的必然选择。 

大量的研究结果显示，DNA的空间构象、热力学、原子核和电子动力学都可促进远距离的电子传输，这些性质使DNA有望成为制作纳米导线和纳米器件的理想材料，并以其双螺旋结构或其它空间拓扑结构作为支架材料或模板，引导功能性纳米元件的组装，来制备分子级的电子器件。 

在DNA自组装的理论研究方面，Winfree等人提出可利用DNA的自组装特性作为计算工具，并首次把可计算的DNA Tile组装的概念应用于DNA分子装配。其核心思想是通过Tile System对自组装过程进行抽象，利用DNA Tile组成DNA分子，在其自组装过程中实现计算，并指出复杂的双交叉分枝结构通过自装配形成二维片状或三维球状的过程是强大的计算模型，并证明了Tile自组装模型的计算能力是图灵等价的。 

(1)理论研究成果： 

1998年，Winfree提出了DNA Tile自组装的动力学模型，开发出了在离散时间上对DNA Tile自组装过程进行模拟的软件。2000年，Adleman建立了DNA Tile自组装的随机微分方程模型，并确定了DNA一维自组装的均衡概率分布收敛速度。2002年，Adleman通过理论研究给出了树状自组装的程序复杂度的界限。2002年，Seeman等给出了以DNA Tile为介质，利用DNA自组装实现分子规模电路装配的基本思想。2006年，Brun提出了用于二进制加法和乘法运算的DNA Tile理论模型，并在此基础上解决了大数分解和子集加问题。2008年，Zhang等提出了实现二进制减法和除法运算的自组装系统，并给出了整数分解的自组装计算方案。 2009年，黄玉芳等基于DNA Tile自组装模型，针对4变量4句子的布尔逻辑问题，提出了一个DNA Tile自组装自动化运算系统。2010年，Wang等利用DNA Tile实现了布尔逻辑与和或运算，并于2011年进一步实现了基于DNA自组装的布尔逻辑半加、半减运算和全加、全减运算。2011年，张成等基于DNA自组装的结构变化，利用DNA/AuNP聚合色变反应，通过构建求解简单集合运算的分子计算模型，实现了对多重分子信号输入的简单集合的逻辑运算。 

(2)实验研究成果：