【導語】在科技飛速發展、傳統芯片升級遇阻的當下，材料“叛逆者”金屬有機框架（MOF）迎來高光時刻——2025年諾貝爾化學獎花落相關研究。曾因穩定性差被視為“醜小鴨”的MOF，如今澳大利亞科學家借助它開發出流體計算機芯片，模擬(nǐ)人(rén)腦(nǎo)且具短期記憶特性。其分級MOF納米流體晶體管實現“三極管”效應，還能構建流體電路，未來或顛覆傳統芯片，催生“大腦芯片”，推動強人工智能誕生。

編者按：在科技迅猛發展的當下，從高精尖設備的研發，到對深海、外太空等極端環境的大膽探索，每一項革新與突破的背後，都離不開新型先進材料的支撐！“逆天改命”新材料係列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學家們的巧妙設計以及前沿技術的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運的枷鎖，以全新的姿態，肩負起推動人類文明邁向未來的重任！



分級 MOF 納米流體器件中存在納米（nm）級與埃（Å）級的通道  圖片來源：該研究論文

2025年的諾貝爾化學獎頒發給了“金屬有機框架（MOF）”研究背後的科學工作者。這類研究利用配位化學成鍵原理，讓科學家們得以像搭“樂高積木”一樣連接金屬離子和有機分子，從而創造出各種各樣，具有獨特性質與功能的新式材料。但你知道嗎？MOF材料在被創造之初，曾廣受質疑與輕視。

由於早期的MOF材料穩定性較差，在當時也沒顯現出很強的應用潛力，所以一度被許多學者看作是沒用且脆弱的“醜小鴨”。

然而最近，來自澳大利亞莫納什大學（Monash University）的科學家在《科學進展》（Science Advances）期刊上發表了研究成果，提出了一種利用MOF的新思路。他們試圖開發出一種相當“異類”的流體計算機芯片！

是的，這種芯片的主體部分將不再是固體，而是液體的！它的運作機製在一定程度上模擬了“人腦”，且具備短期記憶特性！

MOF，這類當初不起眼的冷門材料，如今不僅幫助它的研究者們斬獲了2025年的諾貝爾化學獎，更是可能在將來顛覆基於傳統矽基芯片的研究，催生出下一代“水汪汪”的超級電腦！


看科學家如何在微觀世界中“駕馭”離子

糖心免费视频身邊的電子設備，如手機、電腦、汽車中控等，它們的核心都是由矽基材料製成的微型芯片。這些芯片上的晶體管，如同一道道閘門，通過精確控製電子的流動來處理信息。

這種傳統芯片的優點是速度快、效率高，並且十分精確！然而隨著人們對於計算能力的要求不斷提升，以及近些年人工智(zhì)能(néng)領(lǐng)域的(de)研(yán)究(jiū)不(bù)斷(duàn)興(xìng)起(qǐ)，傳(chuán)統(tǒng)芯(xīn)片(piàn)由(yóu)於(yú)在(zài)材(cái)料(liào)固(gù)有(yǒu)特(tè)性(xìng)、運(yùn)作(zuò)機(jī)製(zhì)、製(zhì)造(zào)工(gōng)藝(yì)等(děng)諸(zhū)多(duō)方(fāng)麵(miàn)的(de)限(xiàn)製(zhì)，升(shēng)級(jí)速(sù)度(dù)正逐漸放緩，變得(de)愈(yù)發(fā)難(nán)以(yǐ)滿(mǎn)足(zú)人(rén)們(men)飛(fēi)速(sù)增長的需求，並在一些領域成為了技術發展的瓶頸！


常見電路板及各種芯片都是固體  圖片來源：維基媒體 Mister rf

那麽，能否另辟蹊徑，采用一種全新的方式來傳遞和處理信息呢？一些科學家把目光投向了自然界的超級計算機——人類的大腦。

在人腦中，信息的傳遞方式之一是通過液體中離子的轉移來進行。神經元通過內外鈉、鉀等離子的跨膜流動，產生電位差，以此來進行電信號傳輸，繼而實現思考、感知、運動控製等功能。那麽糖心免费视频能否也利用類似的思路，製造出一種流體芯片呢？


神經元細胞圖  圖片來源：維基媒體 LadyofHats

電子計算的本質，是用電信號的通斷來實現邏輯判斷。在傳統的固體芯片中，人們通常以電子的流動為基礎來構建電路；而(ér)對(duì)於(yú)液(yè)體(tǐ)芯(xīn)片(piàn)，我(wǒ)們(men)則(zé)要(yào)換(huàn)種(zhǒng)思(sī)路，去(qù)想(xiǎng)辦(bàn)法(fǎ)在(zài)微(wēi)觀(guān)層(céng)麵(miàn)精(jīng)確(què)控(kòng)製(zhì)離(lí)子(zi)的(de)傳(chuán)輸(shū)，這(zhè)屬(shǔ)於(yú)另一個領域——納米流體學（Nanofluidics），同時它也正好是一個可以讓MOF材料“大顯身手的舞台”。

研究人員的基本思路是，製造一根根極其細小的通道，再向其中注入含有離子的溶液，然後通過巧妙地設計出一道道針對離子的“閘門”，用來“篩選”和“駕馭”特定種類離子的進出，讓它們按照糖心免费视频設定的規則和路徑流動，最終實現邏輯計算！

在(zài)這(zhè)個(gè)領域，過去的研究主要關注如何實現離子通道的“整流”功能，就像二極管一(yī)樣，讓離子單向流動。但這還遠遠不夠。要真正實現複雜的信息處理，糖心免费视频需要更精密的“三極(jí)管(guǎn)”等(děng)“晶體管”，來實現對信號的放大、切換，甚至是記憶功能。

分級MOF納(nà)米(mǐ)流(liú)體晶體管的誕生

為了達成這一效果，研究人員設計出一種“分級金屬有機框架（MOF）納米流體晶體管”（h-MOFNT）。簡單來說，它是一種主要利用分級MOF材料所製成的器件，具有該類材料代表性的高度有序的孔道結構。

為了實現更為精確的控製，h-MOFNT材料內部不僅具有納米通道，還通過向聚合物納米通道中加入分級MOF晶體而製作出“多維離子異質結”（multidimensional ionic heterojunctions）。

這種器件內的孔道可以非常小，甚至達到埃（Å）級別（是納米的十分之一），而且它們的內部結構和化學性質可以被精確設計，就像是為離子量身定製的“隧道”和“檢查站”。

簡單來說，這就像是在一個大通道裏又嵌套了多個小通道，小通道裏還存在著不同尺(chǐ)寸(cùn)和(hé)結構的“微型孔洞”。這種“分級異質結構(gòu)”賦(fù)予(yǔ)了(le)h-MOFNT前(qián)所(suǒ)未(wèi)有(yǒu)的(de)離(lí)子(zi)傳(chuán)輸(shū)特(tè)性(xìng)。

傳(chuán)統(tǒng)的(de)固(gù)體(tǐ)電(diàn)子(zi)晶(jīng)體(tǐ)管(guǎn)通(tōng)常(cháng)是(shì)“三(sān)極(jí)管(guǎn)”，通(tōng)過(guò)控(kòng)製(zhì)一(yī)個(gè)小(xiǎo)電(diàn)流(liú)來(lái)開(kāi)關或(huò)放(fàng)大(dà)一(yī)個(gè)大(dà)電(diàn)流(liú)。而(ér)h-MOFNT則(zé)在(zài)納(nà)米(mǐ)流(liú)體(tǐ)領(lǐng)域同(tóng)樣(yàng)實(shí)現(xiàn)了(le)類(lèi)似(shì)的(de)“三(sān)極(jí)管(guǎn)”效(xiào)應(yīng)！

研(yán)究(jiū)人(rén)員(yuán)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽(yán)酸(suān)（HCl）溶(róng)液(yè)通(tōng)過(guò)h-MOFNT時(shí)，其(qí)中(zhōng)的(de)質(zhì)子(zi)（H+）表(biǎo)現(xiàn)出(chū)一(yī)種(zhǒng)獨(dú)特(tè)的(de)非(fēi)線(xiàn)性(xìng)傳(chuán)輸(shū)行(xíng)為(wèi)，具(jù)體(tǐ)來(lái)說(shuō)：

在(zài)低(dī)電(diàn)壓(yā)（0–0.2 V）時(shí)：質(zhì)子(zi)傳(chuán)輸(shū)順(shùn)暢(chàng)，其(qí)流(liú)速(sù)隨(suí)電(diàn)壓(yā)同(tóng)步(bù)快(kuài)速(sù)增(zēng)加(jiā)，使(shǐ)得(de)電(diàn)流(liú)快(kuài)速(sù)增(zēng)大(dà)。在(zài)中(zhōng)等(děng)電(diàn)壓(yā)（0.3–0.8 V）時(shí)：電(diàn)流(liú)增(zēng)大(dà)的(de)速(sù)度(dù)開(kāi)始(shǐ)放(fàng)緩(huǎn)。而(ér)在(zài)高(gāo)電(diàn)壓(yā)（0.9–2.0 V）時(shí)：質(zhì)子(zi)電(diàn)流(liú)達(dá)到(dào)飽(bǎo)和(hé)，幾(jǐ)乎(hu)不(bù)再(zài)隨(suí)電(diàn)壓(yā)增(zēng)加(jiā)而(ér)升(shēng)高(gāo)，這(zhè)讓(ràng)材(cái)料(liào)本(běn)身(shēn)體(tǐ)現(xiàn)出(chū)一(yī)種(zhǒng)類(lèi)似(shì)於(yú)“電(diàn)阻(zǔ)開(kāi)關”的(de)特(tè)性(xìng)。

更(gèng)神(shén)奇(qí)的(de)是(shì)，這(zhè)種(zhǒng)三(sān)極(jí)管(guǎn)效(xiào)應(yīng)隻(zhǐ)對(duì)質(zhì)子（H+）“發難”！而對於鉀離子（K+）等金屬離子，h-MOFNT則表現出傳統的“二極管”效應，也就是線性的整流傳輸。這就像h-MOFNT能夠“識別”不同離子，並對它們采取不同的“交通管製”措施一般。

後來研究人員又嚐試了其他濃度(dù)以(yǐ)及(jí)不(bù)同(tóng)組(zǔ)成(chéng)成分的溶液，最終證明該材料的這種非線性傳導特征對於質子具有普適性。


h-MOFNT實現了穩定的“三極管式”非線性質子（H+）傳輸特性  圖片來源：該研究論文

流體電路成為可能

利用這個特性，通過將多個h-MOFNT並行設置，糖心免费视频就可以構建出一個小型“流體電路”，為今後複雜流體電路的設計與製造提供基本雛形。


研究人員利用h-MOFNT搭建流體電路  圖片來源：該研究論文

那麽，這種奇特的質子非線性傳輸的機製到底是什麽呢？科學家們通過大量的實驗和理論模擬，揭示了背後的“秘密”。

在h-MOFNT複雜的內部結構中，跨相質子傳導會誘發內建電勢，這種電勢在通道異質結中會產生自調控（self-gating）效應。當外加電壓超過某一閾值，這種效應就會被激活。

通俗地說，當施加的電壓超過某個閾值時，一部分質子會從材料內部較大的納米級通道穿梭到更小的埃（Å）級通道內。在那裏，質子（H+）不容易傳輸，其傳導速度將被大幅拖慢，同時在兩種通道的界麵間形成一個局部的內置電勢（ΔE）。

這個內置電勢會反向抵消外部施加的電壓對質子傳輸的驅動力，並幹擾質子在納米通道中的格羅特斯機製（Grotthuss mechanism，一種加速質子傳輸的跳躍式機製），從而導致質子（H+）傳輸速度下降！

像動物大腦一樣具備“短時記憶”

除了三極管效應，h-MOFNT還展現出了另一個令人驚歎(tàn)的(de)特(tè)性(xìng)——相當於憶阻器（Memristor）的記憶功能。

什麽是憶阻器（Memristor）呢？這(zhè)是(shì)一(yī)種特殊的電子元件，它的電(diàn)阻(zǔ)值(zhí)會根據流過它的電流曆史而改變，就像具備了“記憶”功能一樣。糖心免费视频大腦神經元之間的突觸，就具有類似的“憶阻”特性。

h-MOFNT在質子傳輸的過程中展現出了明顯的“遲滯回線”，這意味著它的電流-電壓曲線會隨著掃描電壓的方向和曆史路徑發生相應的變化。

前文已經提到，質子會在MOF內部異質結中積累形成內置電勢。當電壓反向施加時，這個內置電勢並不會立即消失，而是會持續一段時間，從而影響後續的質子傳輸，形成“記憶”。

這表示，新型流體電路將具備一定的“學習”能力，能夠“記住”之前的電壓刺激，並影響後續的離子傳輸，就像具備了短時的記憶能力一般。


在未來的計算機內，矽基固體芯片和新型流體芯片或許將協同運作，優勢互補  圖片來源：引導AI繪製

當然，目前這種“類腦”芯片還處於極為基礎的研究階段，但就好像當初不被看好的MOF材料如今已斬獲諾貝爾化學獎了一般，有潛力的研究方向，隻要假以時日，都可能實現長足的發展，繼而厚積薄發，最終改變世界。

將來，如果這種“類腦”芯片能夠投入應用，由於它可能擁有更小的計算單元，或將突破傳統固體芯片矽材料的物理極限，從而實現更強大的計算能力。

同時借助這種對特定離子信號的精確識別與處理技術，研究人員還有望開發出更靈敏、更具選擇性的生物傳感器或化學傳感器。

甚至於，將來糖心免费视频還可能利用這項研究製造出“流體憶阻器”，它們將具備更複雜的記憶與學習能力，為構建模擬人腦神經突觸功能的“大腦芯片”打下基礎。

或許未來的強人工智能也將因此而誕生，屆時它們將擁有更接近生命的“思考”方式。讓糖心免费视频拭目以待吧。


參考資料：
1.http://phys.org/news/2025-10-scientists-nanofluidic-chip-brain-memory.html
2.http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882
3.http://english.news.cn/20251010/bbb8f348850e4ec192db3d41e4b887d4/c.html
4.http://www.manchester.ac.uk/about/news/manchester-scientists-achieve-brain-like-memory-in-nanofluidic-devices
5.http://smbtech.au/news/monash-scientists-build-fluid-based-chip-with-brain-like-memory/

作者：宋世超
審核：劉穎 張超 李培元 楊柳
審核專家：薛斌 上海海洋大學副教授，中國化學會《化學通訊》編委、《無機鹽工業》青年編委