信號處理器研究取得新進展 _信號

現代信息技術中的各種信號處理器，如放大器、分流器等，都是利用電子或者光子進行信號的處理。當處理器的尺度小到納米或分子級別時，由于熱漲落和納米之間的距間信號相互干擾，準確的分子層次的信號傳遞、轉換和放大常常是非常困難的。電子和光子之間容易互相干擾，因此信號處理器的設計與制作非常困難。

能否不直接利用電子和光子進行信號的傳遞和處理？近日，中國科學院上海應用物理研究所方海平研究員、其博士生涂育松和美國IBM Watson研究中心周如鴻博士等，利用水分子的特性，特別是約束在特定納米管道內“排成一列”的水分子鏈的特性，設計了一種“水分子倍增器” 。微弱信號經單電荷誘導可以通過這個水鏈傳遞和放大。研究人員運用分子動力學模擬觀察到，在受限空間內，這種微弱的水的偶極信號被有效地倍增放大成兩個或多個信號。該項研究結果發表在國際權威科學期刊美國《國家科學院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA,106, 18120,2009）。

研究發現，當水分子受限于合適半徑的Y型納米碳管內時，管道內的水分子會“排成一列”，形成一維的水分子鏈，水在子管（BT）內的偶極取向可以由主管（MT）操控。當主管內水分子的偶極取向向下時，兩個子管中的水分子的偶極取向也都向下；當主管內水分子的偶極取向向上時，每個子管中的水分子的偶極取向則具有相同概率的向上或向下；由此，實現了由子管中的水分子偶極取向來識別主管中單電子信號的誘導源。如果用管內的水分子偶極矩來判斷，水在主管內的負偶極矩會導致子管的負偶極矩，而水在主管內的正偶極矩會導致每個子管的平均時間偶極矩趨向于零。這種水鏈表征的分子信號放大主要歸功于水分子單鏈驚人強度的偶極誘導的有序性。這種信號的傳遞和放大能力在室溫條件下是相當穩定的；并且信號對誘導電子的極性變化的響應相當快，延遲僅幾十到幾百納秒。

分子層次的信號傳遞和放大在生物傳感器、分子開關和神經系統等都非常關鍵。在這些體系中，原始信號通常是很弱的，不易被監測到。在熱噪聲下生物系統的信號如何傳遞、轉換和放大，也是科學家們長期試圖回答的問題。該研究成果有助于理解水在生物分子的結構和功能中所起的重要作用，并對揭示分子層次的電子器件設計和生物系統中的分子信號傳遞起到啟示作用。

該項研究工作與山東大學、美國IBM Watson研究中心和哥倫比亞大學的研究人員共同合作完成，得到了中國科學院、國家自然科學基金委、國家科技部、人事部和上海市人民政府（通過上海超級計算中心），和美國IBM藍色基因項目的共同資助。
【信號處理器研究取得新進展】
（來源：中科院上海應用物理研究所）