【導(dǎo)讀】今年諾貝爾化學獎成果MOF曾被質(zhì)疑缺乏實用性，而一個海外幾乎全華人的科研團隊發(fā)現(xiàn)其可用于制造「流體芯片」，突破目前半導(dǎo)體芯片的瓶頸，該成果近期發(fā)表在Science子刊上。

2025年諾貝爾化學獎授予了金屬有機框架（MOF）材料的開創(chuàng)者們。

這種材料被譽為「分子篩」，像微觀世界的篩子或海綿，內(nèi)部充滿納米級孔洞，能篩選、儲存特定分子。

同時，MOF好比化學版的「納米樂高積木」，可用不同金屬節(jié)點和有機分子自由拼接出各種孔道結(jié)構(gòu)，精確控制孔徑大小和化學功能。

憑借這些特性，MOF在氣體儲存、催化等領(lǐng)域發(fā)表了大量論文，但因穩(wěn)定性差、成本高等，實際應(yīng)用少。諾獎組委會在頒獎詞中指出MOF「潛力巨大」，為新功能材料提供機會，也暗示需找到適用場景。

現(xiàn)在，MOF應(yīng)用場景似乎出現(xiàn)了：科學家用MOF材料造出納米級液體芯片，能執(zhí)行邏輯運算，還能「記住」信號狀態(tài)，產(chǎn)生類似大腦神經(jīng)元的記憶效應(yīng)。

MOF變芯片，在納米孔里「種」出電路

平常所說的芯片多是硅基電子芯片，依靠電子傳遞、處理信息，而「流體芯片」以液體中離子流動模擬電子電路。

研究團隊設(shè)計了特殊的納米流體晶體管，核心材料是MOF。芯片如硬幣大小，結(jié)構(gòu)精巧?？蒲腥藛T先在聚合物膜上制造納米級小孔道，再在孔道內(nèi)原位生長MOF晶體，形成復(fù)雜的分級「離子迷宮」。

研究人員選用含鋯（Zr）金屬簇和對苯二甲酸衍生物的MOF材料，將氨基修飾的納米孔道膜夾在兩個溶液池之間，讓兩種溶液分子在孔道中結(jié)合生長MOF晶體。晶體內(nèi)部自發(fā)形成多個分界面，包括聚合物孔道與MOF晶體間的一維異質(zhì)結(jié)界面，以及MOF晶體內(nèi)部的微小界面和次級孔道，這些層級孔道和界面是芯片與眾不同的秘密。

離子晶體管，像三極管一樣控制質(zhì)子流

研究人員將制備好的MOF納流體晶體管浸入含不同離子的溶液中，測量電流 - 電壓特性。實驗發(fā)現(xiàn)，使用鹽酸（HCl）溶液時，芯片電流隨電壓變化呈強烈非線性。低電壓下電流迅速上升，中等電壓上升趨緩，電壓超過約0.9V時電流增長飽和。

這種特性類似電子學中三極管或場效應(yīng)管，只有質(zhì)子觸發(fā)了特殊的非線性開關(guān)。奧秘在于MOF晶體內(nèi)部的孔道和界面產(chǎn)生的「內(nèi)建電勢」阻擋質(zhì)子，外加電壓超過閾值時，質(zhì)子才能成群通過，且會使電流趨于飽和。

MOF納米孔道實現(xiàn)了對質(zhì)子流的開關(guān)調(diào)控，相當于離子版電子晶體管。研究人員驗證了這種非線性傳導(dǎo)是質(zhì)子獨有的，跟溶液環(huán)境無關(guān)，還通過「歸屬分析」證明質(zhì)子的非線性「開關(guān)」傳導(dǎo)和普通離子的線性行為不同。芯片通過MOF材料的分級孔道實現(xiàn)了對不同離子的選擇性傳輸，這就是「選擇性離子傳輸」的由來。

會「記憶」的離子通路，仿神經(jīng)元學習效應(yīng)

MOF離子晶體管不僅能控制離子流通斷，還展現(xiàn)出「記憶」能力。對芯片施加循環(huán)變化的電壓時，電流響應(yīng)與此前經(jīng)歷的電壓有關(guān)，電流 - 電壓回路呈現(xiàn)滯后環(huán)，類似記憶電阻的特征。芯片對快速連續(xù)的刺激「記性更好」，對間隔久的刺激「容易忘卻」，記憶效應(yīng)可持續(xù)數(shù)秒，類似大腦中短期記憶的特性。

研究人員將五個MOF離子晶體管并聯(lián)組成小型流體電路，模擬復(fù)雜信號處理，發(fā)現(xiàn)電路輸出曲線有規(guī)律地非線性變化，可像設(shè)計電子電路一樣組合離子晶體管實現(xiàn)可編程模擬計算。這種離子電路具備類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特質(zhì)，有望用于構(gòu)建仿腦計算系統(tǒng)。

分子尺度，潛力巨大

利用分子和離子搭建信息處理電路的設(shè)想正成為現(xiàn)實。研究團隊用MOF材料在分子尺度實現(xiàn)了電路的邏輯和存儲功能，成果發(fā)表在2025年9月的Science子刊Science Advances雜志上。

這證明了MOF材料的價值，開創(chuàng)了「液態(tài)電子學」的新可能。未來計算機芯片或許不再局限于硅半導(dǎo)體，可能有「液態(tài)」組件，利用離子流動處理信息，高效模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有了MOF這樣的「納米積木」，我們能在納米世界搭建電路，在不遠的將來，基于液體的分子邏輯電路或許將成為現(xiàn)實。

參考資料：

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

本文來自微信公眾號“新智元”，編輯：艾倫，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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