MOF流体芯片突破：纳米离子晶体管实现类脑记忆计算

【最新动态】2025年诺贝尔化学奖颁予金属有机框架材料，但其实际应用一度受质疑。近日，一支以华人为主的海外科研团队取得突破，利用MOF制造出「流体芯片」，有望解决半导体芯片瓶颈，相关成果发表于Science子刊。

金属有机框架荣获本年度诺贝尔化学奖，表彰其开创性贡献。

MOF材料被称为「分子筛」，其内部布满纳米孔隙，犹如微观海绵，可筛选和储存特定分子。

MOF类似化学「纳米乐高」，通过组合不同金属节点与有机分子，可定制孔道结构与功能，精准调控孔径。

尽管MOF在气体储存与催化领域论文众多，但因稳定性与成本问题，实际应用较少，呈现「雷声大雨点小」局面。

诺奖委员会在颁奖词中谨慎表示：MOF「潜力巨大」，为新材料提供了前所未有的机遇。

这暗示MOF虽前景广阔，但需找到合适应用场景。

如今，MOF应用迎来转机：科学家成功用MOF造出纳米级流体芯片，不仅能执行逻辑运算，还可「记忆」信号状态，模拟大脑神经元记忆效应！

MOF转化为芯片，于纳米孔道中「培育」电路

传统芯片多为硅基电子芯片，依赖电子运动传递信息。

而「流体芯片」截然不同：它利用液体中离子流动模拟电路。

这听起来充满科幻色彩。

研究团队设计出一种特殊纳米流体晶体管，核心材料正是新晋诺奖得主——MOF。

该芯片尺寸如硬币，结构精巧。

科研人员先在聚合物膜上刻蚀纳米孔道（直径数十至百纳米），随后在孔道内原位生长MOF晶体。

这犹如在极细吸管内培育多孔晶体「海绵」。

MOF海绵自带规则微孔与纳米孔，形成大小孔道交织的复杂结构：大孔似公路，小孔似小巷，构成分级「离子迷宫」，供离子通行。

MOF纳流体晶体管结构示意图，显示器件中存在两个尺度异质结：一是在聚合物纳米孔与MOF晶体交界形成的一维异质界面；二是在MOF晶体内部，由不同结构单元连接形成的三维交界网络。这些层次化界面与通道造就了特殊离子传输性质。

研究采用含锆金属簇和对苯二甲酸衍生物的MOF材料。

团队将氨基修饰的子弹形纳米孔膜置于两溶液池间：一侧为有机配体溶液，另一侧为金属盐溶液。

溶液分子在狭窄孔道相遇结合，首先生成MOF微小「种子」，随后在孔道尖端逐渐长成MOF晶体。

MOF晶体从孔端长入，为孔道添加「衬里」。

通过精细控制生长过程，MOF晶体内部自发形成多个分界面。

一方面，在聚合物孔道与MOF衬里间，形成直径约100纳米的一维异质结界面；

另一方面，MOF晶体由两种不同连接方式的锆氧簇单元拼接，内部产生无数微小界面与次级孔道。

这些从纳米级到埃级的层级孔道与界面，是MOF芯片独特的关键。

离子晶体管，以三极管方式调控质子流

研究人员将制备的MOF纳流体晶体管浸入不同离子溶液，测量电流-电压特性。

这即观察施加电压时，离子电流通过MOF孔道的情况。

实验结果振奋人心：使用盐酸溶液时，芯片电流随电压呈现强非线性。

低电压下电流快速上升；中电压下上升放缓；电压超过约0.9V时，电流增长趋于饱和。

这种「先快后慢」曲线类似电子三极管特性，意味质子流受阈值控制，如同水阀开启需达一定压力。

科学家形象称之为「三极管式」质子传输。

对比之下，对于钾离子等较大金属离子，器件仅显示普通「二极管式」整流行为，无显著阈值开关效应。

唯有质子这类最小最轻离子触发特殊非线性开关。

质子特殊性源于MOF晶体内部的纳米级孔道与界面。

MOF中固定电荷与结构形成「内建电势」阻挡质子。

通常，「闸门」限制质子通行；仅当外加电压超阈值时，才能克服内建电势，使质子群通过。

阈值开启后，更多质子通过会增强内建电势，导致电流饱和。

此过程类似水闸控流：水压不足时闸门关闭，水压足够时闸门开启，水流冲击使闸门保持开态，水流稳定。

由此，MOF纳米孔道实现质子流开关调控，等效离子版电子晶体管。

研究通过改变溶液浓度等方式验证，非线性传导为质子独有现象，与环境无关。

离子归属分析显示，HCl溶液中约86%电荷来自质子，KCl溶液中钾离子贡献约81%。

这再次证明质子非线性「开关」传导与普通离子线性行为不同。

借助MOF分级孔道，芯片实现离子选择性传输：质子走「快车道」，受阈值控制；其他离子限于「慢车道」，匀速前行。

此即论文中「选择性离子传输」的由来。

具「记忆」离子通路，模仿神经元学习效应

更神奇的是，MOF离子晶体管不仅控制离子流，还展现「记忆」能力！

当对芯片施加循环电压时，电流响应不仅取决于瞬时电压，还受历史电压影响。

电压从0升至某值再降回0，与直接从0升至同值，所得电流不同。

这意味着芯片导电状态对历史信号有记忆效应。

绘制电流-电压回路显示明显滞后环，正是记忆电阻典型特征。

加压循环越快，滞后越明显；缓慢扫描则滞后减小。

换言之，芯片对快速连续刺激「记忆更佳」，对间隔久刺激「易遗忘」。

实验测得，此记忆效应可持续数秒。

这似大脑短期记忆特性。

实际上，大脑神经元突触在短时高频刺激后传导增强，形成秒级至分钟级记忆痕迹。

MOF流体芯片在离子层面展示类似神经突触学习行为，其电信号响应随过去刺激史变化，具简单类脑学习功能。

研究进一步证明「离子记忆」可用性：将五个MOF离子晶体管并联组成小型流体电路，模拟复杂信号处理。

结果发现，随并联元件增加，电路输出曲线呈现规律非线性变化，类似调整门极电压控制电子晶体管阵列输出。

这意味着，可像设计电子电路般组合多个离子晶体管，实现可编程模拟计算。

由于各元件带短暂记忆，此类离子电路天生具类神经网络特质，有望用于构建仿脑计算系统。

正如作者所述，这或许是迈向新一代计算机的尝试：若能设计几纳米厚功能材料，就有机会制造先进流体芯片，弥补甚至超越现有半导体芯片局限。

分子尺度，前景广阔

利用分子与离子构建信息处理电路，似科幻情节，但此研究让我们初见雏形。

以MOF「分子筛」为基本单元，「搭建」纳米离子通道网络，团队成功在分子尺度实现电路逻辑与存储功能。

该成果发表于2025年9月Science子刊Science Advances。

这不仅证明MOF材料实用性，回应「无用」质疑，还开创「液态电子学」新可能。

想象未来，计算机芯片或不再限于硅半导体，或有「液态」类脑组件：运行于液体介质，利用离子流动处理信息，更高效模拟生物神经网络，甚至直接与生物体接口交互。

拥有MOF这类「纳米积木」，我们便具纳米世界搭建电路工具。

正如研究展示，只要设计得当，可在实验室造出微观阀门、开关、存储器，这些电子学概念正于化学与材料领域绽放。

不久将来，基于液体的分子逻辑电路或成现实，为信息技术注入新活力！

参考资料：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adw7882