胶体微粒实现逻辑计算：复杂流体新突破

我们都知道晶体管的问世为世界发展带来迅猛的风暴，它是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管。晶体管的发明为后来集成电路的诞生吹响号角，没有集成电路，哪里来现在的电子计算机呢？

随着化学工业的发展，一个类比于微电子学的新型工业“芯片实验室”应运而生，即本着同样的思想，希望把小型化进行到底。原来进行实验，需要试管、烧瓶、器皿，现在只要将微量的反应试剂，通入以微米或毫米量级的芯片，所需要的反应便大功告成。这样的反应可以是对反应物的分离、DNA的鉴定、反应物的混合等。

更有人已经研究出可以用打印机印在纸上的集成芯片，一个集成芯片便在瞬间几乎零成本生产出来。（作者注：据悉哈佛大学Weitz教授实验室已经在这个方面取得很好的研究进展。）现在我们不禁要问，在这样一个芯片上是否也可以加上逻辑板块，使得芯片不仅具有执行反应任务的功能，还能够拥有一定的“头脑”？这个想法在2007年就由Prakash和Gershenfeld提出[2]。他们用微流体系中的“泡泡”来表示一个比特，控制芯片的反应。有泡泡时定义为“1”，无泡泡时定义为“0”。

我们把这一思想拓展到胶体微粒构成的微通道系统中[3]，用胶体颗粒的位置来定义“0”和“1”。通过外加电场来控制胶体颗粒的位置，从而实现触发器的功能，如图4．25．1所示。

图4．25．1 微通道系统中外加电场控制胶体颗粒位置的触发器示意图

（A，B，C是3个点电极，胶体微粒被限制在纵向放置的微通道中）

我们利用介电泳原理来控制微粒在通道中的运动和位置。当为电极A加上相对较大的电荷，而为电极B和C加上等量的相对较小的电荷时，原点的电场最大，因此原点是一个稳定平衡点（单稳模式）；当为B和C加上等量的电荷，而电极A不加电荷时，该系统为双稳态系统，微粒的两个稳定平衡点的位置对称地处在通道的上下两边（双稳模式）。(www.xing528.com)

我们可以把双稳模式下的两个平衡点的位置记作“0”和“1”。给电极A加上电荷，那么微粒回到中心点；去掉A上的电荷，中心点变得不稳定，微粒最后处在“0”或者“1”的位置。如果再为A加上电荷，则微粒再回到中心点……这不就是触发器的工作原理吗？

如果我们再考虑，在单稳模式下若摩擦力趋近于零，或者有外界微弱能量输入，可以维持微粒在平衡位置上下做周期运动。那么，是不是可以考虑基于胶体微粒的计时器呢？

当然，这里要说明，要用胶体微粒实现逻辑计算功能并投入使用，还有很长一段路要走；这段路充满挑战，既有机理上的挑战，也有技术上的挑战。

[1]此文作者为赵晓雪，撰写此文时是我课题组的硕士生，她写得非常好，让我基本无用武之地，我只改了几个词和标题；此文最初于2009年9月22日发表于新浪博客：http：／／blog．sina．com．cn／s／blog＿53af0c0f0100ev8z．html。

[2]M．Prakash，N．Gershenfeld．Science，2007（315）：832．

[3]X．X．Zhao，Y．Gao and J．P．Huang．A Journal of Applied Physics，2009（105）：064510；或直接点击：http：／／www．physics．fudan．edu．cn／tps／people／jphuang／Mypapers／JAP－9．pdf下载。