編者按：

在科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項革新與突破的背后，都離不開新型先進(jìn)材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學(xué)家們的巧妙設(shè)計以及前沿技術(shù)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(tài)，肩負(fù)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（?）級的通道 圖片來源：該研究論文

2025年的諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了“金屬有機框架（MOF）”研究背后的科學(xué)工作者。這類研究利用配位化學(xué)成鍵原理，讓科學(xué)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(chuàng)造出各種各樣，具有獨特性質(zhì)與功能的新式材料。但你知道嗎？MOF材料在被創(chuàng)造之初，曾廣受質(zhì)疑與輕視。

由于早期的MOF材料穩(wěn)定性較差，在當(dāng)時也沒顯現(xiàn)出很強的應(yīng)用潛力，所以一度被許多學(xué)者看作是沒用且脆弱的“丑小鴨”。

然而最近，來自澳大利亞莫納什大學(xué)（Monash University）的科學(xué)家在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了研究成果，提出了一種利用MOF的新思路。他們試圖開發(fā)出一種相當(dāng)“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！它的運作機制在一定程度上模擬了“人腦”，且具備短期記憶特性！

MOF，這類當(dāng)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(xué)獎，更是可能在將來顛覆基于傳統(tǒng)硅基芯片的研究，催生出下一代“水汪汪”的超級電腦！

01看科學(xué)家如何在微觀世界中“駕馭”離子

我們身邊的電子設(shè)備，如手機、電腦、汽車中控等，它們的核心都是由硅基材料制成的微型芯片。這些芯片上的晶體管，如同一道道閘門，通過精確控制電子的流動來處理信息。

這種傳統(tǒng)芯片的優(yōu)點是速度快、效率高，并且十分精確！然而隨著人們對于計算能力的要求不斷提升，以及近些年人工智能領(lǐng)域的研究不斷興起，傳統(tǒng)芯片由于在材料固有特性、運作機制、制造工藝等諸多方面的限制，升級速度正逐漸放緩，變得愈發(fā)難以滿足人們飛速增長的需求，并在一些領(lǐng)域成為了技術(shù)發(fā)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

那么，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(xué)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(zhuǎn)移來進(jìn)行。神經(jīng)元通過內(nèi)外鈉、鉀等離子的跨膜流動，產(chǎn)生電位差，以此來進(jìn)行電信號傳輸，繼而實現(xiàn)思考、感知、運動控制等功能。那么我們能否也利用類似的思路，制造出一種流體芯片呢？

神經(jīng)元細(xì)胞圖 圖片來源：維基媒體 LadyofHats

電子計算的本質(zhì)，是用電信號的通斷來實現(xiàn)邏輯判斷。在傳統(tǒng)的固體芯片中，人們通常以電子的流動為基礎(chǔ)來構(gòu)建電路；而對于液體芯片，我們則要換種思路，去想辦法在微觀層面精確控制離子的傳輸，這屬于另一個領(lǐng)域——納米流體學(xué)（Nanofluidics），同時它也正好是一個可以讓MOF材料“大顯身手的舞臺”。

研究人員的基本思路是，制造一根根極其細(xì)小的通道，再向其中注入含有離子的溶液，然后通過巧妙地設(shè)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(jìn)出，讓它們按照我們設(shè)定的規(guī)則和路徑流動，最終實現(xiàn)邏輯計算！

在這個領(lǐng)域，過去的研究主要關(guān)注如何實現(xiàn)離子通道的“整流”功能，就像二極管一樣，讓離子單向流動。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要真正實現(xiàn)復(fù)雜的信息處理，我們需要更精密的“三極管”等“晶體管”，來實現(xiàn)對信號的放大、切換，甚至是記憶功能。

02分級MOF納米流體晶體管的誕生

為了達(dá)成這一效果，研究人員設(shè)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材料所制成的器件，具有該類材料代表性的高度有序的孔道結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)更為精確的控制，h-MOFNT材料內(nèi)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晶體而制作出“多維離子異質(zhì)結(jié)”（multidimensional ionic heterojunctions）。

這種器件內(nèi)的孔道可以非常小，甚至達(dá)到埃（?）級別（是納米的十分之一），而且它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)可以被精確設(shè)計，就像是為離子量身定制的“隧道”和“檢查站”。

簡單來說，這就像是在一個大通道里又嵌套了多個小通道，小通道里還存在著不同尺寸和結(jié)構(gòu)的“微型孔洞”。這種“分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)”賦予了h-MOFNT前所未有的離子傳輸特性。

傳統(tǒng)的固體電子晶體管通常是“三極管”，通過控制一個小電流來開關(guān)或放大一個大電流。而h-MOFNT則在納米流體領(lǐng)域同樣實現(xiàn)了類似的“三極管”效應(yīng)！

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽酸（HCl）溶液通過h-MOFNT時，其中的質(zhì)子（H+）表現(xiàn)出一種獨特的非線性傳輸行為，具體來說：

在低電壓（0–0.2 V）時：質(zhì)子傳輸順暢，其流速隨電壓同步快速增加，使得電流快速增大。在中等電壓（0.3–0.8 V）時：電流增大的速度開始放緩。而在高電壓（0.9–2.0 V）時：質(zhì)子電流達(dá)到飽和，幾乎不再隨電壓增加而升高，這讓材料本身體現(xiàn)出一種類似于“電阻開關(guān)”的特性。

更神奇的是，這種三極管效應(yīng)只對質(zhì)子（H+）“發(fā)難”！而對于鉀離子（K+）等金屬離子，h-MOFNT則表現(xiàn)出傳統(tǒng)的“二極管”效應(yīng)，也就是線性的整流傳輸。這就像h-MOFNT能夠“識別”不同離子，并對它們采取不同的“交通管制”措施一般。

后來研究人員又嘗試了其他濃度以及不同組成成分的溶液，最終證明該材料的這種非線性傳導(dǎo)特征對于質(zhì)子具有普適性。

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

03流體電路成為可能

利用這個特性，通過將多個h-MOFNT并行設(shè)置，我們就可以構(gòu)建出一個小型“流體電路”，為今后復(fù)雜流體電路的設(shè)計與制造提供基本雛形。

研究人員利用h-MOFNT搭建流體電路 圖片來源：該研究論文

那么，這種奇特的質(zhì)子非線性傳輸?shù)臋C制到底是什么呢？科學(xué)家們通過大量的實驗和理論模擬，揭示了背后的“秘密”。

在h-MOFNT復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，跨相質(zhì)子傳導(dǎo)會誘發(fā)內(nèi)建電勢，這種電勢在通道異質(zhì)結(jié)中會產(chǎn)生自調(diào)控（self-gating）效應(yīng)。當(dāng)外加電壓超過某一閾值，這種效應(yīng)就會被激活。

通俗地說，當(dāng)施加的電壓超過某個閾值時，一部分質(zhì)子會從材料內(nèi)部較大的納米級通道穿梭到更小的埃（?）級通道內(nèi)。在那里，質(zhì)子（H+）不容易傳輸，其傳導(dǎo)速度將被大幅拖慢，同時在兩種通道的界面間形成一個局部的內(nèi)置電勢（ΔE）。

這個內(nèi)置電勢會反向抵消外部施加的電壓對質(zhì)子傳輸?shù)尿?qū)動力，并干擾質(zhì)子在納米通道中的格羅特斯機制（Grotthuss mechanism，一種加速質(zhì)子傳輸?shù)奶S式機制），從而導(dǎo)致質(zhì)子（H+）傳輸速度下降！

04像動物大腦一樣具備“短時記憶”

除了三極管效應(yīng)，h-MOFNT還展現(xiàn)出了另一個令人驚嘆的特性——相當(dāng)于憶阻器（Memristor）的記憶功能。

什么是憶阻器（Memristor）呢？這是一種特殊的電子元件，它的電阻值會根據(jù)流過它的電流歷史而改變，就像具備了“記憶”功能一樣。我們大腦神經(jīng)元之間的突觸，就具有類似的“憶阻”特性。

h-MOFNT在質(zhì)子傳輸?shù)倪^程中展現(xiàn)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歷史路徑發(fā)生相應(yīng)的變化。

前文已經(jīng)提到，質(zhì)子會在MOF內(nèi)部異質(zhì)結(jié)中積累形成內(nèi)置電勢。當(dāng)電壓反向施加時，這個內(nèi)置電勢并不會立即消失，而是會持續(xù)一段時間，從而影響后續(xù)的質(zhì)子傳輸，形成“記憶”。

這表示，新型流體電路將具備一定的“學(xué)習(xí)”能力，能夠“記住”之前的電壓刺激，并影響后續(xù)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(nèi)，硅基固體芯片和新型流體芯片或許將協(xié)同運作，優(yōu)勢互補 圖片來源：引導(dǎo)AI繪制

當(dāng)然，目前這種“類腦”芯片還處于極為基礎(chǔ)的研究階段，但就好像當(dāng)初不被看好的MOF材料如今已斬獲諾貝爾化學(xué)獎了一般，有潛力的研究方向，只要假以時日，都可能實現(xiàn)長足的發(fā)展，繼而厚積薄發(fā)，最終改變世界。

將來，如果這種“類腦”芯片能夠投入應(yīng)用，由于它可能擁有更小的計算單元，或?qū)⑼黄苽鹘y(tǒng)固體芯片硅材料的物理極限，從而實現(xiàn)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(shù)，研究人員還有望開發(fā)出更靈敏、更具選擇性的生物傳感器或化學(xué)傳感器。

甚至于，將來我們還可能利用這項研究制造出“流體憶阻器”，它們將具備更復(fù)雜的記憶與學(xué)習(xí)能力，為構(gòu)建模擬人腦神經(jīng)突觸功能的“類腦芯片”打下基礎(chǔ)。

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。讓我們拭目以待吧。

作者：宋世超

審核專家：薛斌 上海海洋大學(xué)副教授，中國化學(xué)會《化學(xué)通訊》編委、《無機鹽工業(yè)》青年編委

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