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2007.02.17
◆ 第十五話 ◆ ＤＮＡクローン細胞量子回路技術の遺物
イーゼス国の古き地球の都、Ｔ＆ＫＹ＋では一人の天才が今後デジタル・クローン技術を応用した量子電子回路の基礎となる電気回路方式を特許化した。それは、かつて「液晶」という２５世紀では既に無い映像装置表示装置の描画回路方式をＤＮＡ細胞伝送へ応用したものだった。
彼は、それまでのデジタルといえば「０と１」という２値符号化された電圧伝送方式を時間の
多少という符号信号時間幅で表現する方式を、微小な電荷電流を一定のスピン電圧で安定的に流す事で、均質で品質の良い映像をＤＮＡ頭脳の中に映し出す原理を発明した。その当時はごく平凡な特許と思われていたが、実はこの原理こそすべてのデジタルＤＮＡ素子だけでなく、それをクローン技術で合成して、ＤＮＡクローン細胞ＣＰＵ－ＮＥＴ駆動原理そのものへ発展するのである。
２５世紀の現代では、この基本的な原理はより量子ＣＰＵなどを含めて、常識的な利用の世界で満ち溢れているが、超伝導とかが注目されている中では、あまりに控えめに見えたスタートであった。
イーゼス国の技術院の正門玄関には彼の銅像が飾られて居る。
ごくありふれた大げさな風景であるが、全銀河衛星諸国家は感謝して余りある貢献をしているのだった。特に、イーゼス国ではこの後さらに、覇権復帰への足がかりとして、この技術の深みに実に感動させられずにはおかないからである。先祖の功績を数世紀後にして、本質から理解することとなっていく。
（ＯＰＥＲＡ 参考資料 21世紀初頭のＤＮＡ応用技術レベル）
■分子エレクトロニクス - 単一分子素子とは？
1974年にIBMのアビラム(A.Aviram)やラトナー(M.A.Ratner)が理論的に可能であることを示した分子ダイオード(整流素子)は電子回路の非常に基礎的なパーツである。「電子」一つ一つを一方向にしか移動させない。この分子ダイオードはA(アクセプター、緑)とD(ドナー、青)が、１(絶縁体、赤)によってつながれた非対称な構造をしている。AとDはπ電子共役系になっており、非局在化した電子は比較的自由に移動することが出来る。Aは還元されやすく、Dは酸化されやすいという性質を持っている。つまり電子輸送から考えれば、Aは電子を受け取りやすく、Dは電子を提供しやすいというわけだ。
これと逆に、電極１をプラスにして電極２をマイナスにした場合はどうか。電極１はAから電子を引きぬき、電極２はDに電子を与える。これでは、Aが酸化されDが還元されたことになり、分子は非常に不安定になってしまう。このような状態は取りにくいため、逆方向に電圧をかけても電子輸送は起こらない。
●電場によってひねりを加える 分子スイッチ その1
下図のように、３つのベンゼン環がメチルでつながれ、そのひとつにニトロ基(NO2)とアミノ基(NH2)が付いた分子がある。この分子はスイッチング素子として機能。
ベンゼン上では環にそって比較的自由に動ける電子が分布している。この電子は「π電子」と呼ばれ、複数のベンゼン環にまたがって移動することができる。つまりこの分子は電気を通す。それぞれプラス、マイナスの性質を持っているため、この電圧を加えて電界が生じると図のように分子がねじれた構造になる。こうすると分子全体のπ共役性が失われ、分子は電流を通さなくなる。外部からの印加によって分子にひねりを加えることで、スイッチのオンオフを行っている。これによってこの分子はスイッチング素子として機能する。
●シャトルを移動 分子スイッチ その2
記憶素子としての条件を満たすためには、0と1というデジタル情報を保持するために安定な状態が二つ(以上)あり、しかもその状態の間を比較的容易に行き来できる必要がある。
上図のようにバーベルの軸にリングが挟まったような分子を総称して「ロタキサン」と呼んでいる。この分子はリングが二つの安定な位置に行ったり来たりすることで分子の軸方向の導電性が変化する。
したがって二つの準安定状態を0と1に対応させ、導電性を検出すれば、1bitの記憶素子として利用することができる。
●金属にも半導体にも 分子ワイヤ
電子回路を実現するために、複数の素子を繋いでやるワイヤ(配線)が必要となる。この分子ワイヤ素材が「カーボンナノチューブ(CNT)」である
カーボンナノチューブをチャンネルに利用したCNT FET(Carbon NanoTube field Effect Transistor)。実際は、CNTの直径が数nmであるのに対し、ソースやドレインの幅は数十nm～100nm程度なので、この図よりも大小差が顕著になっている。FETの動作原理については「トランジスタ」のページを参照。
分子ナノテクノロジー
著者： 松重和美 ／田中一義
出版社： 化学同人
サイズ： 単行本
ページ数： 232p
【内容情報】（「BOOK」データベースより）
本書は分子ナノテクノロジーの進展と現状を紹介するために、先端的な研究者の参画を得て編まれた入門的な解説書である。
【目次】（「BOOK」データベースより）
１部 分子ナノテクノロジーのためのツール開発（ＳＰＭによるナノスケール分子制御／バイオミメティック手法によるナノ構造作製技術／ＤＮＡのナノカッティング ほか）／２部 分子ナノデバイス開発（分子ワイヤとしてのオリゴチオフェンの設計と合成／分子性ナノワイヤの構築／ナノ連結系によるエネルギー・電子移動デバイス ほか）／３部 分子ナノ素子を用いる回路開発（量子コンピュータの原理／ＮＭＲを用いる量子コンピュータのアーキテクチャ／分子コンピュータの構築 ほか）
DNAコンピューティング
著者： ゲオルゲ・パウン ／グシェゴシュ・ローゼンバーグ
出版社： シュプリンガー・フェアラーク東京
サイズ： 単行本
ページ数： 444p
発行年月： 1999年12月
【内容情報】（「BOOK」データベースより）
ポスト・ノイマン型コンピュータの有力候補ＤＮＡコンピュータ。それは、４種類のＤＮＡ塩基を演算素子にした超並列コンピュータである。たとえば原理的には、１ｇのＤＮＡの中に３兆枚のＣＤと同量の情報を格納できる。またＤＮＡコンピュータの演算速度は、スーパーコンピュータの１００万倍、エネルギー効率は１０億倍と試算されている…。シリコンからカーボンへ、マイクロチップからＤＮＡへ！いま、全く新しい発想に基づく計置メカニズムの探究が始まった！本書は、ＤＮＡコンピュータに関する、日本語で初めてのガイドブックである。
【目次】（「BOOK」データベースより）
第１部 背景と動機（ＤＮＡ：その構造と働き／分子計算のあけぼの）／第２部 数学的理論（形式言語理論入門／スティッカーシステム／ワトソン・クリックオートマトン／挿入・削除システム ほか）
イーゼス国の古き地球の都、Ｔ＆ＫＹ＋では一人の天才が今後デジタル・クローン技術を応用した量子電子回路の基礎となる電気回路方式を特許化した。それは、かつて「液晶」という２５世紀では既に無い映像装置表示装置の描画回路方式をＤＮＡ細胞伝送へ応用したものだった。
彼は、それまでのデジタルといえば「０と１」という２値符号化された電圧伝送方式を時間の
多少という符号信号時間幅で表現する方式を、微小な電荷電流を一定のスピン電圧で安定的に流す事で、均質で品質の良い映像をＤＮＡ頭脳の中に映し出す原理を発明した。その当時はごく平凡な特許と思われていたが、実はこの原理こそすべてのデジタルＤＮＡ素子だけでなく、それをクローン技術で合成して、ＤＮＡクローン細胞ＣＰＵ－ＮＥＴ駆動原理そのものへ発展するのである。
２５世紀の現代では、この基本的な原理はより量子ＣＰＵなどを含めて、常識的な利用の世界で満ち溢れているが、超伝導とかが注目されている中では、あまりに控えめに見えたスタートであった。
イーゼス国の技術院の正門玄関には彼の銅像が飾られて居る。
ごくありふれた大げさな風景であるが、全銀河衛星諸国家は感謝して余りある貢献をしているのだった。特に、イーゼス国ではこの後さらに、覇権復帰への足がかりとして、この技術の深みに実に感動させられずにはおかないからである。先祖の功績を数世紀後にして、本質から理解することとなっていく。
（ＯＰＥＲＡ 参考資料 21世紀初頭のＤＮＡ応用技術レベル）
■分子エレクトロニクス - 単一分子素子とは？
1974年にIBMのアビラム(A.Aviram)やラトナー(M.A.Ratner)が理論的に可能であることを示した分子ダイオード(整流素子)は電子回路の非常に基礎的なパーツである。「電子」一つ一つを一方向にしか移動させない。この分子ダイオードはA(アクセプター、緑)とD(ドナー、青)が、１(絶縁体、赤)によってつながれた非対称な構造をしている。AとDはπ電子共役系になっており、非局在化した電子は比較的自由に移動することが出来る。Aは還元されやすく、Dは酸化されやすいという性質を持っている。つまり電子輸送から考えれば、Aは電子を受け取りやすく、Dは電子を提供しやすいというわけだ。
これと逆に、電極１をプラスにして電極２をマイナスにした場合はどうか。電極１はAから電子を引きぬき、電極２はDに電子を与える。これでは、Aが酸化されDが還元されたことになり、分子は非常に不安定になってしまう。このような状態は取りにくいため、逆方向に電圧をかけても電子輸送は起こらない。
●電場によってひねりを加える 分子スイッチ その1
下図のように、３つのベンゼン環がメチルでつながれ、そのひとつにニトロ基(NO2)とアミノ基(NH2)が付いた分子がある。この分子はスイッチング素子として機能。
ベンゼン上では環にそって比較的自由に動ける電子が分布している。この電子は「π電子」と呼ばれ、複数のベンゼン環にまたがって移動することができる。つまりこの分子は電気を通す。それぞれプラス、マイナスの性質を持っているため、この電圧を加えて電界が生じると図のように分子がねじれた構造になる。こうすると分子全体のπ共役性が失われ、分子は電流を通さなくなる。外部からの印加によって分子にひねりを加えることで、スイッチのオンオフを行っている。これによってこの分子はスイッチング素子として機能する。
●シャトルを移動 分子スイッチ その2
記憶素子としての条件を満たすためには、0と1というデジタル情報を保持するために安定な状態が二つ(以上)あり、しかもその状態の間を比較的容易に行き来できる必要がある。
上図のようにバーベルの軸にリングが挟まったような分子を総称して「ロタキサン」と呼んでいる。この分子はリングが二つの安定な位置に行ったり来たりすることで分子の軸方向の導電性が変化する。
したがって二つの準安定状態を0と1に対応させ、導電性を検出すれば、1bitの記憶素子として利用することができる。
●金属にも半導体にも 分子ワイヤ
電子回路を実現するために、複数の素子を繋いでやるワイヤ(配線)が必要となる。この分子ワイヤ素材が「カーボンナノチューブ(CNT)」である
カーボンナノチューブをチャンネルに利用したCNT FET(Carbon NanoTube field Effect Transistor)。実際は、CNTの直径が数nmであるのに対し、ソースやドレインの幅は数十nm～100nm程度なので、この図よりも大小差が顕著になっている。FETの動作原理については「トランジスタ」のページを参照。
分子ナノテクノロジー
著者： 松重和美 ／田中一義
出版社： 化学同人
サイズ： 単行本
ページ数： 232p
【内容情報】（「BOOK」データベースより）
本書は分子ナノテクノロジーの進展と現状を紹介するために、先端的な研究者の参画を得て編まれた入門的な解説書である。
【目次】（「BOOK」データベースより）
１部 分子ナノテクノロジーのためのツール開発（ＳＰＭによるナノスケール分子制御／バイオミメティック手法によるナノ構造作製技術／ＤＮＡのナノカッティング ほか）／２部 分子ナノデバイス開発（分子ワイヤとしてのオリゴチオフェンの設計と合成／分子性ナノワイヤの構築／ナノ連結系によるエネルギー・電子移動デバイス ほか）／３部 分子ナノ素子を用いる回路開発（量子コンピュータの原理／ＮＭＲを用いる量子コンピュータのアーキテクチャ／分子コンピュータの構築 ほか）
DNAコンピューティング
著者： ゲオルゲ・パウン ／グシェゴシュ・ローゼンバーグ
出版社： シュプリンガー・フェアラーク東京
サイズ： 単行本
ページ数： 444p
発行年月： 1999年12月
【内容情報】（「BOOK」データベースより）
ポスト・ノイマン型コンピュータの有力候補ＤＮＡコンピュータ。それは、４種類のＤＮＡ塩基を演算素子にした超並列コンピュータである。たとえば原理的には、１ｇのＤＮＡの中に３兆枚のＣＤと同量の情報を格納できる。またＤＮＡコンピュータの演算速度は、スーパーコンピュータの１００万倍、エネルギー効率は１０億倍と試算されている…。シリコンからカーボンへ、マイクロチップからＤＮＡへ！いま、全く新しい発想に基づく計置メカニズムの探究が始まった！本書は、ＤＮＡコンピュータに関する、日本語で初めてのガイドブックである。
【目次】（「BOOK」データベースより）
第１部 背景と動機（ＤＮＡ：その構造と働き／分子計算のあけぼの）／第２部 数学的理論（形式言語理論入門／スティッカーシステム／ワトソン・クリックオートマトン／挿入・削除システム ほか）
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