【导语】在科技飞速发展、传统芯片升级遇阻的当下，材料“叛逆者”金属有机框架（MOF）迎来高光时刻——2025年诺贝尔化学奖花落相关研究。曾因稳定性差被视为“丑小鸭”的MOF，如今澳大利亚科学家借助它开发出流体计算机芯片，模拟人脑且具短期记忆特性。其分级MOF纳米流体晶体管实现“三极管”效应，还能构建流体电路，未来或颠覆传统芯片，催生“大脑芯片”，推动强人工智能诞生。

编者按：在科技迅猛发展的当下，从高精尖设备的研发，到对深海、外太空等极端环境的大胆探索，每一项革新与突破的背后，都离不开新型先进材料的支撑！“逆天改命”新材料系列文章将聚焦那些材料中的“叛逆者”。它们借助科学家们的巧妙设计以(yǐ)及(jí)前(qián)沿(yán)技(jì)术(shù)的(de)加(jiā)持(chí)，彻(chè)底(dǐ)改(gǎi)写(xiě)了(le)自(zì)身(shēn)的(de)一(yī)些(xiē)固(gù)有(yǒu)特性，从而打破命运的枷锁，以全新的姿态，肩负起推动人类文明迈向未来的重任！



分级 MOF 纳米流体器件中存在纳米（nm）级与埃（Å）级的通道  图片来源：该研究论文

2025年的诺贝尔化学奖颁发(fā)给(gěi)了(le)“金属有机框架（MOF）”研究背后的科学工作者。这类研究利用配位化学成键原理，让科学家们得以像搭“乐高积木”一样连接金属离子和有机分子，从而创造出各种各样，具有独特性质与功能的新式材料。但你知道吗？MOF材料在被创造之初，曾广受质疑与轻视。

由于早期的MOF材料稳定性较差，在当时也没显现出很强的应用潜力，所以一度被许多学者看作是没用且脆弱的“丑小鸭”。

然而最近，来自澳大利亚莫纳什大学（Monash University）的科学家在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了研究成果，提出了一种利用MOF的新思路。他们试图开发出一种相当“异类”的流体计算机芯片！

是的，这种芯片的主体部分将不再是固体，而是液体的！它的运作机制在一定程度上模拟了“人脑”，且具备短期记忆特性！

MOF，这类当初不起眼的冷门材料，如今不仅帮助它的研究者们斩获了2025年的诺贝尔化学奖，更是可能在将来颠覆基于传统硅基芯片的研究，催生出下一代“水汪汪”的超级电脑！


看科学家如何在微观世界中“驾驭”离子

我们身边的电子设备，如手机、电脑、汽车中控等，它们的核心都是由硅基材料制成的微型芯片。这些芯片上的晶体管，如同一道道闸门，通过精确控制电子的流动来处理信息。

这种传统芯片的优点是速度快、效率高，并且十分精确！然而随着人们对于计算能力的要求不断提升，以及近些年人工智能领域的研究不断兴(xìng)起(qǐ)，传(chuán)统(tǒng)芯(xīn)片(piàn)由(yóu)于(yú)在(zài)材(cái)料(liào)固(gù)有(yǒu)特(tè)性(xìng)、运(yùn)作(zuò)机(jī)制(zhì)、制(zhì)造(zào)工(gōng)艺(yì)等(děng)诸(zhū)多(duō)方(fāng)面(miàn)的(de)限(xiàn)制(zhì)，升(shēng)级(jí)速(sù)度(dù)正(zhèng)逐(zhú)渐(jiàn)放(fàng)缓(huǎn)，变(biàn)得(de)愈(yù)发(fā)难(nán)以(yǐ)满(mǎn)足(zú)人(rén)们(men)飞(fēi)速(sù)增长的需求，并在一些领域成为了技术发展的瓶颈！


常见电路板及各种芯片都是固体  图片来源：维基媒体 Mister rf

那么，能否另辟蹊径，采用一种全新的方式来传递和处理信息呢？一些科学家把目光投向了自然界的超级计算机——人类的大脑。

在人脑中，信息的传递方式之一是通过液体中离子的转移来进行。神经元通过内外钠、钾等离子的跨膜流动，产生电位差，以此来进行电信号传输，继而实现思考、感知、运动控制等功能。那么我们能否也利用类似的思路，制造出一种流体芯片呢？


神经元细胞图  图片来源：维基媒体 LadyofHats

电子计算的本质，是用电信号的通断来实现逻辑判断。在传统的固体芯片中，人们通常以电子的流动为基(jī)础(chǔ)来(lái)构(gòu)建(jiàn)电(diàn)路；而(ér)对(duì)于(yú)液(yè)体(tǐ)芯(xīn)片(piàn)，我(wǒ)们(men)则(zé)要(yào)换(huàn)种(zhǒng)思(sī)路，去(qù)想(xiǎng)办(bàn)法(fǎ)在(zài)微(wēi)观(guān)层(céng)面(miàn)精(jīng)确(què)控(kòng)制(zhì)离(lí)子的传输，这属于另一个领域——纳米流体学（Nanofluidics），同时它也正好是一个可以让MOF材料“大显身手的舞台”。

研究人员的基本思路是，制造一根根极其细小的通道，再向其中注入含有离子的溶液，然后通过巧妙地设计出一道道针对离子的“闸门”，用来“筛选”和“驾驭”特定种类离子的进出，让它们按照我们设定的规则和路径流动，最终实现逻辑计算！

在这个领域，过去的研究主要关注如何实现离子通道的“整流”功能，就像(xiàng)二(èr)极(jí)管一样，让离子单向流动。但这还远远不够。要真正实现复杂的信息处理，我们需要更精密的“三极管”等“晶体管”，来实现对信号的放大、切换，甚至是记忆功能。

分级MOF纳米流体晶体管的诞生

为了达成这一效果，研究人员设计出一种“分级金属有机框架（MOF）纳米流体晶体管”（h-MOFNT）。简单来说，它是一种主要利用分级MOF材料所制成的器件，具有该类材料代表性的高度有序的孔道结构。

为了实现更为精确的控制，h-MOFNT材料内部不仅具有纳米通道，还通过向聚合物纳米通道中加入分级MOF晶体而制作出“多维离子异质结”（multidimensional ionic heterojunctions）。

这种器件内的孔道可(kě)以(yǐ)非(fēi)常(cháng)小(xiǎo)，甚(shén)至(zhì)达(dá)到(dào)埃(āi)（Å）级(jí)别(bié)（是(shì)纳(nà)米(mǐ)的(de)十(shí)分(fēn)之(zhī)一(yī)），而(ér)且(qiě)它(tā)们(men)的(de)内(nèi)部(bù)结(jié)构(gòu)和(hé)化(huà)学(xué)性(xìng)质(zhì)可(kě)以(yǐ)被(bèi)精(jīng)确(què)设(shè)计(jì)，就(jiù)像(xiàng)是(shì)为(wèi)离(lí)子(zi)量(liàng)身(shēn)定(dìng)制(zhì)的(de)“隧(suì)道(dào)”和(hé)“检查站”。

简单来说，这就像是在一个大通道里又嵌套了多个小通道，小通道里还存在着不同尺寸和结构的“微型孔洞”。这种“分级异质结构”赋予了h-MOFNT前所未有的离子传输特性。

传统的固体电子晶体管通常是“三极管”，通过控制一个小电流来开关或放大一个大电流。而h-MOFNT则在纳米流体领域同样实现了类似的“三极管”效应！

研究人员发现，当盐酸（HCl）溶液通过h-MOFNT时，其中的质子（H+）表现出一种独特的非线性传输行为，具体来说：

在低电压（0–0.2 V）时：质子传输顺畅，其流速随电压同步快速增加(jiā)，使(shǐ)得(de)电(diàn)流(liú)快(kuài)速(sù)增(zēng)大(dà)。在(zài)中(zhōng)等(děng)电(diàn)压(yā)（0.3–0.8 V）时(shí)：电(diàn)流(liú)增(zēng)大(dà)的(de)速(sù)度(dù)开(kāi)始(shǐ)放(fàng)缓(huǎn)。而(ér)在(zài)高(gāo)电(diàn)压(yā)（0.9–2.0 V）时(shí)：质(zhì)子(zi)电(diàn)流(liú)达到饱和，几乎不再随电压增加而升高，这让材料本身体现出一种类似于“电阻开关”的特性。

更神奇的是，这种三极管效应只对质子（H+）“发难”！而对于钾离子（K+）等金属离子，h-MOFNT则表现出传统的“二极管”效应，也就是线性的整流传输。这就像h-MOFNT能够“识别”不同离子，并对它们采取不同的“交通管制”措施一般。

后来研究人员又尝试(shì)了其他浓度以及不同组成成分的溶液，最终证明该材料的这种非线性传导特征对于质子具有普适性。


h-MOFNT实现了稳定的“三极管式”非线性质子（H+）传输特性  图片来源：该研究论文

流体电路成为可能

利用这个特性，通过将多个h-MOFNT并行设置，我们就可以构建出一个小型“流体电路”，为今后复杂流体电路的设计与制造提供基本雏形。


研究人员利用h-MOFNT搭建流体电路  图片来源：该研究论文

那么，这种奇特的质子非线性传输的机制到底是什么呢？科学家们通过大量的实验和理论模拟，揭示了背后的“秘密”。

在h-MOFNT复杂的内部结构中，跨相质子传导会诱发内建电势，这种电势在通道异质结中会产生自调控（self-gating）效应。当外加电压超过某一阈值，这种效应就会被激活。

通俗地说，当施加的电压超过某个阈值时，一部分质子会从材料内部较大的纳米级通道穿梭到更小的埃(āi)（Å）级(jí)通(tōng)道(dào)内(nèi)。在(zài)那(nà)里(lǐ)，质(zhì)子（H+）不容易传输，其传导速度将被大幅拖慢，同时在两种通道的界面间形成一个局部的内置电势（ΔE）。

这个内置电势会反向抵消外部施加的电压对质子传输的驱动力，并干扰质子在纳米通道中的格罗特斯机制（Grotthuss mechanism，一种加速质子传输的跳跃式机制），从而导致质子（H+）传输速度下降！

像动物大脑一样具备“短时记忆”

除了三极管效应，h-MOFNT还展现出了另一个令人惊叹的特性——相当于忆阻器（Memristor）的记忆功能。

什么是忆阻器（Memristor）呢？这是一种特殊的电子元件，它的电阻值会根据流过它的电(diàn)流(liú)历(lì)史(shǐ)而(ér)改(gǎi)变(biàn)，就(jiù)像(xiàng)具(jù)备(bèi)了(le)“记(jì)忆(yì)”功(gōng)能(néng)一(yī)样(yàng)。我(wǒ)们(men)大(dà)脑(nǎo)神(shén)经(jīng)元(yuán)之(zhī)间(jiān)的(de)突(tū)触(chù)，就(jiù)具(jù)有(yǒu)类(lèi)似(shì)的(de)“忆(yì)阻(zǔ)”特(tè)性(xìng)。

h-MOFNT在质子传输的过程中展现出了明显的“迟滞回线”，这意味着它的电流-电压曲线会随着扫描电压的方向和历史路径发生相应的变化。

前文已经提到，质子会在MOF内部异质结中积累形成内置电势。当电压反向施加时，这个内置电势并不会立即消失，而是会持续一段时间，从而影响后续的质子传输，形成“记忆”。

这表示，新型流体电路将具备一定的“学习”能力，能够“记住”之前的电压刺激，并影响后续的离子传输，就像具备了短时的记忆能力一般。


在(zài)未(wèi)来(lái)的(de)计(jì)算(suàn)机(jī)内(nèi)，硅(guī)基(jī)固(gù)体(tǐ)芯(xīn)片(piàn)和(hé)新(xīn)型(xíng)流(liú)体(tǐ)芯(xīn)片(piàn)或(huò)许(xǔ)将(jiāng)协(xié)同(tóng)运(yùn)作(zuò)，优(yōu)势(shì)互(hù)补(bǔ)  图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：引(yǐn)导(dǎo)AI绘(huì)制(zhì)

当然，目前这种“类脑”芯片还处于极为基础的研究阶段，但就好像当初不被看好的MOF材料如今已斩获诺贝尔化学奖了一般，有潜力的研究方向，只要假以时日，都可能实现长足的发展，继而厚积薄发，最终改变世界。

将来，如果这种“类脑”芯片能够投入应用，由于它可能拥有更小的计算单元，或将突破传统固体芯片硅材料的物理极限，从而实现更强大的计算能力。

同时借助这种对特定离子信号的精确识别与处理技术，研究人员还有望开发出更灵敏、更具选择性的生物传感器或化学传感器。

甚至于，将来我们还可能利用这项研究制造出“流体忆阻器”，它们将具备更复杂的记忆与学习能力，为构建模拟人脑神经突触功能的“大脑芯片”打下基础。

或许未来的强人工智能也将因此而诞生，届时它们将拥有更接近生命的“思考”方式。让我们拭目以待吧。


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

作(zuò)者(zhě)：宋(sòng)世(shì)超(chāo)
审(shěn)核(hé)：刘(liú)颖(yǐng) 张(zhāng)超(chāo) 李(li)培(péi)元 杨柳
审核专家：薛斌 上海海洋大学副教授，中国化学会《化学通讯》编委、《无机盐工业》青年编委