麻省波士顿——1999年11月29日~12月3日，将近4，400位研究者聚集于此，讨论如何加速从电子学到医学及各种未来材料发展的进程。这次会议的亮点是如何用导线把组合材料制成的分子电子元件和基因工程蛋白质串连起来的新设计。

导线连接起超微世界里

　　如果不在外空飞行，在计算机工艺中，更小通常就意味着更快和更好。一些用单分子制成的试验开关和贮存元件，对处于微型化前沿的研究者而言，要把这些元件用导线连接在一起，并使之进入研究系统，已经超出了他们的能力范围。在这次材料研究学会（MRS）会议上，科学家们谈到了某些计划其中包括使用DNA和涉及电的领域一有助于把超微尺度的导线和分子线路连接起来。专家们说，尽管装配好的分子元件尚未运转，这些探讨对分子电子学的梦想变为现实是有帮助的。

　　新泽西州默里希尔透明技术贝尔实验室的高级电子学专家包镇安说：“这是真正精密的研究， 是分子电子学未来发展的方向。”目前，计算机芯片上最小的零件仅有2，500亿分之一米或者是几个纳米。虽然这些元件的微细程度已趋近极至，但仍然能够用工业上普遍使用的仿制技术“光刻”——使 光通过模板在硅芯片上进行精密零件的蚀刻，然后再用导线连接起来。但是，分子尺度的元件比上述元件更加细微，在一些范围内测量只有采用纳米技术（不能简单地用光） ， 把需要连接它们的精密线路，充分稳定地聚焦并定位在模板上。但是，尽管已经制作出满意的微型线路———种在膜的微孔中浓缩金属原子，所形成的微型金属棒一要完成连接却是另一回事。

　　电子工程师特里萨 · 迈耶（Theresa Mayer） 和托马斯·杰克逊（Thomas Jackson），还有化学家托马斯·马洛克（Thomas Mallouk）和迈克尔·纳坦（Michael Natan）领导的宾夕法尼亚州立大学的一个研究组，用带有铂杆和金尖的超微棒进行研究，提出了两种快速的方法来解决这个问题。其一，组合方法：开发DNA股的性能寻找并和配对的顺序结合。先用小的有机分子硫醇把单股的DNA连接在棒的金尖上，再在分离的金的表面上涂一层和棒上单股DNA顺序互补的单股DNA，然后，用这种金的溶液与棒混合，互补的DNA就彼此结合，把棒连接到金的表面上。

　　其二，改变电的引力、组合超微棒的方法。连接一对梳齿状电极， 把彼此的梳齿交错，用一层二氧化硅将电极绝缘，并在每根梳齿下端放置小片金箱，使邻近梳齿上的金箔连成一排。然后将此装置浸入含有微型金属棒的溶液，在电极之间增加电压。电压产生的电场触发出两种极不相同的电效应：开始是吸引，然后与邻近金箔之间的金属超短棒结合。

　　最初，电场产生的长射程引力从远端卷起超微棒，然后全部组合电极试图将其电容，或者是贮存电荷的能力增加到最大限度，超微棒就接通了邻近的金箱。电容器贮存电荷就像介于两个分别聚集相反电荷之间的电场。在此情况下，组合电极具有了两种电容器：一种由大的电极和由绝缘二氧化硅分开的金箔组成；一种由溶液分开的相邻金箔组成。

　　金箔的细微限制了整个元件的电容量，它只能贮存像它那样极其微小的电容器所能贮存的电荷。但是，超微线网打破了限制。用连接金箔的方法，使超微线网断开金箔之间延长的电路连接，破坏其贮存的能力，让更大的电容器进行收容。迈耶说，其底线是“我们能用电场驱动我们所需要的线网。”

　　然而，这并不是全部。当棒短于金箔之间的间隙时，由于有些棒头对头地连接形成了“桥”，使组合趋向增大电容。研究者就用浓缩的金离子溶液，使离子充塞于间隙之中，把这些棒“焊接”成延长的线路，产生研究者们确认的能通电的长棒。

　　如何使这些技术用于制造分子计算机，“目前不很清楚。”杰克逊说：“这只是婴儿学步的阶段。 然而，这却是最难迈出的第一 一步。”

蛋白质仿制电子元件？

　　生物学上的有机体并不仅是那些“软湿粘糊”有机材料的主要营造者，它们还承担着组合石状无机物的出色任务——甲壳或者人体中的骨骼和牙齿就是明证——当然， 这种合成技艺背后的秘密仍然是“软湿粘糊”的蛋白质。无论在蛤或者人的演化中，蛋白质都有助于无机分子有机化，使之变成复杂的和有用的型式。现在，材料科学家们也打算应用同样的窍门。

　　在波士顿会议上，西雅图华盛顿大学材料科学家梅米特·萨里卡雅（Mehmet Sarikaya）和奥斯汀得克萨斯大学化学家安杰拉 · 贝尔彻（Angela Belcher） 领导的两个独立的研究组的报告说：他们使用了实验室演化复制程序，产生出基因工程蛋白质，这种蛋白质能够和极小的半导体以及金属颗粒结合，并把它们组合成较大的元件。如果同样的工程蛋白质技术能使分子有机化和具有仿制各种材料的能力，则蛋白质就能成为制作晶体管、导线或其他电子元件的非常珍贵的工具，其大小要比现在计算机芯片上的元件小几百倍。

　　伊利诺斯艾文斯顿西北大学的材料专家查德·米尔金（Chad Mirkin）说：“把材料合成与生物学合并在一起的总体观念非常重要。有机系统具有识别分子的能力，已经演化了很长的时期。它们早就超越了我们在实验室所能做到的一切。’萨里卡雅和贝尔彻都希望开发出决定蛋白质形成骨骼、贝壳和牙齿的增殖能力：它们所具有的选择性，只是结合某些无机物加以强化和有机化，使之逐渐成为所期望的模式。例如，鲍鱼用分开的蛋白质使碳酸钙有机化，成为不同的矿物相：闪光的螺钿（珠母层）或者文石，作为壳的内层；硬石般的方解石，作为壳外层。但是，这些天然产生的蛋白质却比不上许多工业的重要材料，如金属半导体的作用。所以，他们决定试试能否加以改进。

　　萨里卡雅和同事们巧妙地处理细菌蛋白质，使之与广泛用于电子工业中的金结合。他们从大肠杆菌中提取出一种叫做多卟啉的细胞膜蛋白质。这种蛋白质在自然状态下不能与金结合。然后，他们克隆了多卟啉基因做成数百万份拷贝；再从每份拷贝上剪下会在大肠杆菌膜上突出、形成环的那段蛋白质的一组编码。如果其他的化学组成适合的话，那正是蛋白质和金结合的地方。

　　为改变这个环的结构，研究者们用自动操作DNA合成器产生的任意DNA顺序，与剪下的基因段置换；然后，再把改变后的基因返回菌体内，使细菌在金颗粒中生长，并使之处于类似自然选择的程序中。淘汰掉结合不好的细菌，使结合较好的细菌增殖。最后，他们鉴定出能和金结合得最好的菌落。终于他们从这些细菌中提纯出多卟啉素，并将其附着在溶液中那些极小的塑料球体和平面的外层表面上。他们又用少量的金强化混合物，蛋白质就粘连起微粒，分布在球体的外部或者是星罗棋布于其表面上。

　　与此同时，贝尔彻研究组采用不同的程序来演变蛋白质，使其能与半导体结合，这些半导体有电子学中广泛应用的硒化锌和砷化镓。她们使用含有10⁹随机DNA顺序的全套流行元件，将其插入噬菌体外壳编码的基因拷贝中，再用这种改变过的噬菌体给细菌“接种”。噬菌体增殖后，将其放入含有半导体微粒的溶液中，选出那些和半导体结合得最好的病毒。

　　至此，贝尔彻报告说：这项技术妙极了。她的研究组已经鉴定出能够辨别相似的半导体合金之间差别的蛋白质，如砷化镓对砷化镓铝；而且还能辨别出相同半导体晶体之间由于晶体表面上原子不同排列所形成的不同晶面。她说，顺着这条路径，她的研究组计划仿制在表面上结合半导体的蛋白质，并且利用它们集结那些处于控制排列中极小的半导体晶体生长。那正好是全球研究者们打算要做的事情，尽力创制出超微晶体管和其他的计算元件。一旦贝尔彻和萨里卡雅的研究步入轨道，蛋白质可能就是他们达到目的地的驾驶盘。

　　[ Science，1999年12月]