Atom-sized gates could transform DNA sequencing and neuromorphic computing

大阪大学的研究人员如今朝着这一目标迈出了重要一步。他们在《自然·通讯》上发表文章，描述了如何使用微型电化学反应器制造接近亚纳米尺寸的孔。

模仿自然界的电通道
在细胞内部，离子通过嵌入细胞膜的特殊蛋白质通道移动。这种离子运动产生电信号，包括负责肌肉收缩的神经冲动。这些通道由蛋白质构成，包含埃级的极窄区域。当受到外部信号刺激时，这些蛋白质会改变形状，使通道打开或关闭。

借鉴这一自然系统，研究人员设计了一种固态版本，能够形成几乎与生物离子通道一样小的孔。他们首先在氮化硅膜上制造一个纳米孔，该纳米孔随后作为微型反应室，在其中构建更小的孔。

当研究团队在膜两端施加负电压时，会触发纳米孔内的化学反应。该反应产生固体沉淀物，沉淀物逐渐膨胀直至完全堵塞开口。反转电压会使沉淀物溶解，恢复孔内的导电通路。

“我们能够在数小时内重复这种开关过程数百次，”主要作者筒井柾解释道，“这表明该反应方案既稳定又可控。”

电尖峰揭示亚纳米孔
为了更好地了解膜内发生的情况，研究人员监测了通过膜的离子电流。他们观察到电流出现尖锐的尖峰，类似于生物离子通道中的模式。进一步分析表明，这些信号与原始纳米孔内形成大量亚纳米孔的情况最一致。

研究团队还发现，他们可以微调孔的行为。通过调整反应溶液的化学成分和pH值，他们改变了这些超小孔的大小和特性。

“我们能够通过改变反应溶液的成分和pH值来改变超小孔的行为和有效尺寸，”资深作者河合智司报告说，“这使得通过调节超小孔尺寸，可以选择性地让不同有效尺寸的离子通过膜。”

在DNA测序和神经形态计算中的应用
这种化学驱动的方法使得在单个纳米孔内生成多个超小孔成为可能。该技术提供了一种新方法，用于研究离子和流体如何在与生命系统相当的尺度下通过极狭窄的空间移动。

除了基础研究外，这项技术还可支持新兴领域，如单分子传感（例如使用纳米孔进行DNA测序）、神经形态计算（利用电尖峰模拟生物神经元的行为）和纳米反应器（通过限制创造独特的反应条件）。