澳洲華人團隊用最新諾獎成果造芯片，或可彌補當前電子芯片局限

幾天前，三位科學家憑借金屬有機框架（MOF，metal organic framework）的成果獲得 2025 年諾貝爾化學獎，讓這一原本就比較火熱的研究領域再添一把“燃柴”。

（來源：諾貝爾獎官網）

同樣在前不久，澳洲一支華人團隊利用金屬有機框架造出一種基于液體的微型芯片，其具備類似于大腦的神經通路，有望為新一代計算設備打開大門。這款芯片的面積大約有硬幣大小，能像晶體管一樣通過微觀通道傳輸離子。不同于傳統芯片，這款金屬有機框架芯片可以保留過去信號的記憶。之所以能夠形成這種短期記憶，是因為該芯片可以選擇性地控制質子和金屬離子的流動，并且能夠記住之前的電壓變化。同時，它能夠模仿大腦神經元的可塑性，這意味著它既能計算、又能學習，就像生物神經網絡一樣。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882）

展示金屬有機框架在下一代計算設備中的潛力

據了解，澳大利亞工程院院士、澳大利亞莫納什大學王煥庭教授帶領團隊和合作者完成了此次成果，相關論文發表于 Science Advances，胡曉怡（音）和徐亨宇是其中兩位論文共同一作。

圖 | 王煥庭（來源：https://www.monash.edu/engineering/huant）

研究中，該團隊首次在納米流體裝置中觀察到了質子的飽和非線性傳導，這能為研發具有記憶能力甚至具有學習能力的離子電子系統開辟新的機遇，這一芯片也展示了金屬有機框架這種納米多孔材料在下一代計算設備中的潛力。王煥庭在莫納什大學的新聞稿中表示，未來如能設計出厚度僅有幾納米的金屬有機框架功能材料，就可以造出流體芯片，從而能夠彌補甚至克服當前電子芯片的一些局限性。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882）

為了展示這款芯片的潛力，王煥庭和團隊構建了一個包含多個金屬有機框架通道的小型流體回路。實驗中，他們發現這款芯片在響應電壓變化時，不僅會模仿電子晶體管的行為，還表現出一定的記憶效應，這說明其未來有望用于基于液體的數據存儲或用于受大腦啟發的計算系統。

論文共同一作兼共同通訊作者、莫納什大學博士畢業生、目前在美國加州大學伯克利分校擔任訪問學者的陸軍（音）在官方新聞稿中表示，這款芯片是一項首創性成果，一方面它使用的是液體而非使用固定電路，另一方面它朝著打造和人類思考更加相似的計算設備邁出了重要一步。由于這款芯片采用了分層結構設計，故能以完全不同的方式控制質子和金屬離子，這是一種具備一定選擇性的非線性離子傳輸方式，在納米流體技術領域是第一次出現。

圖 | 陸軍（音）（來源：https://www.linkedin.com/in/jun-lu-2）

據了解，這種傳輸是通過基于分層金屬有機框架的納米流體晶體管器件（h-MOFNT，hierarchical MOF–based nanofluidic transistor device）實現的，這與類二極管的金屬離子傳輸形式有著明顯不同。具體來說，通過將分層金屬有機框架晶體組裝在聚合物單納米通道（NC，nanochannel）中，該團隊制備出了 h-MOFNT，并發現該器件能夠處理多維通道異質結。

通過實驗和模擬，他們揭示了 h-MOFNT 中的非線性質子傳輸背后的潛在機制，證明了跨相質子傳導引起的金屬有機框架相內通道異質結兩端內建電勢的自門控效應，這種效應只能通過施加高于閾值的電壓 VDS 來激活，這也是非線性離子傳輸的獨特機制。

需要說明的是，h-MOFNT 在現階段依然是一款概念性驗證器件。盡管如此，作為一種具有短期記憶特性的創新型納米流體憶阻器，它表現出了類三極管的電荷傳導。這種無需物理門控電極即可實現的離子響應自門控電阻開關，有望通過針對多維通道異質結進行合理設計，來激發人們對于先進流體離子電子學的研究。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882）

基于分級金屬有機框架的納米流體裝置制備

在基于分級金屬有機框架的納米流體裝置的制備上，該團隊通過將分層 Zr-MOF-SO3H 晶體，組裝到子彈形氨基功能化聚對苯二甲酸乙二醇酯納米通道（PET NC，polyethylene terephthalate nanochannel）的尖端側區域，借此制備了一種具有多個異質結的分層金屬有機框架基納米流體器件，從而讓靠近基底側的局部區域不會被金屬有機框架相所覆蓋。

簡單來說，當將帶有單個子彈形納米通道的氨基改性 PET 納米通道薄膜夾在兩個電池之間的時候，面向尖端側的電池填充著配體水溶液，而另一個電池填充著金屬前體水溶液。金屬前體和配體分子會在 PET 納米通道之中相遇并形成晶核，晶核在基底的尖端側會進一步生長成為高度互生的金屬有機框架多晶相。

研究中，該團隊選擇 PET 納米通道作為構建金屬有機框架基納米流體器件的基底，之所以這樣做是因為在 PET 納米通道壁懸掛的游離苯甲酸基團，可以作為配體單元與次級構建單元配位，從而促進金屬有機框架異質的形核和生長。這讓金屬有機框架多晶相和 PET 納米通道之間的互生程度，可以最大程度地減少金屬有機框架和 PET 納米通道壁之間可能存在的間隙的影響，也證明了該團隊所使用的方法對于金屬有機框架多晶相的小規模合成十分有效。

納米流體的選擇性非線性離子傳輸

研究中，該團隊使用雙電極研究了 h-MOFNT 在多種電解質溶液中的電流特性和電壓特性。

實驗發現，在 0.1M HCl 溶液中，h-MOFNT 呈現出 S 形的 I-V 曲線。相比之下，h-MOFNT 在 0.1M 氯鹽溶液（KCl、NaCl、LiCl、CaCl? 和 CeCl?）中則呈現出二極管狀的 I-V 曲線，并且其離子整流比均高于在 HCl 溶液的時候。h-MOFNT 在 HCl 溶液里呈現出的這種非線性傳輸特性，非常類似于電子場效應晶體管（FET，Field-Effect Transistor）的電流輸出特征，但卻無需像傳統電子場效應晶體管或納米流體場效應晶體管那樣使用物理柵極電極。

為了和二極管狀的非線性 KCl 傳輸進行區分，該團隊將這種獨特的質子非線性傳導現象命名為“三極管樣”特性。通過漂移-擴散實驗，他們測出了 h-MOFNT 的陽離子遷移數，具體來說 h-MOFNT 在 HCl 溶液和 KCl 溶液中的陽離子遷移數分別達到 0.86 和 0.81，這表明質子和 K+ 離子分別是產生對應非線性傳導特性的主導載流子。

通過分段的線性擬合 I-V 曲線，他們發現在兩種電壓極性之下，質子非線性傳導都呈現出三階段的電阻切換特性。具體來說，在正電壓區間，高電壓和低電壓偏壓下的電阻比值高達 220 倍左右。而二極管狀的 K+ 傳導僅僅通過電壓極性改變來實現兩階段的電阻切換，其電阻比大約為 50 倍。

具備類電子和仿生離子電子應用，通訊作者此前已孵化兩家公司

為了展示 h-MOFNT 在離子電子學中的應用前景，該團隊制備了 5 個 h-MOFNT 樣品，利用并行編程設計了一個流體電路。隨著并聯 h-MOFNT 的數量從 1 個增加到 5 個，原本設定好的 0.1M HCl 的流體電路產生了一系列的非線性 I-V 曲線，這意味著它能夠模仿電子場效應晶體管的輸出電流特性，即能夠通過增加柵極電壓的方式來增加輸出電流。

此外，該團隊通過掃描環路電壓發現，h-MOFNT 表現出明顯的磁滯回線效應，而且隨著掃描速率從 500mV/s 降低到 100mV/s，h-MOFNT 表現出收縮磁滯回線，這表明非線性質子傳輸對于電壓掃描頻率具有一定的依賴性。這兩種特征以及本征的類三極管 IV 表明：h-MOFNT 是一種全新的納米流體離子憶阻器。

總的來說，他們證明基于金屬有機框架的多維異質結納米流控器件可以實現前所未有的非線性選擇性離子傳輸，即能夠實現類三極管的非線性質子傳導。值得一提的是，這種飽和現象的非線性質子傳輸源于金屬有機框架本征納米尺度通道-埃級尺度通道（NC-AC，Nanoscale Channel-Angstrom-scale Channel）結兩端內建電勢的門控效應，而這種效應是通過質子特有的跨相傳導實現的。

由于憶阻非線性離子傳輸特性源于金屬有機框架的本征異質結結構，因此基于單晶胞或多晶胞厚度的可編程金屬有機框架，在設計流控芯片上具有廣闊的前景，這能為應對電子芯片尺寸縮小的挑戰提供了一種替代方法。未來，通過合理地設計異質限制系統，有望實現基于液體的信息存儲甚至實現類腦計算。

圖 | 2023 年王煥庭來到國內交流（來源：https://hj.njtech.edu）

值得注意的是，擔任本次論文通訊作者的王煥庭本科和碩博分別畢業于華東理工大學和中國科學技術大學，2005 年他加入莫納什大學任教至今。他同時還是由東南大學和莫納什大學在蘇州聯合創辦的研究生院——莫納什大學蘇州校區的科研副校長。在科研之余，他基于自己在莫納什大學的科研成果參與創辦了兩家衍生膜科技公司[1]。

參考資料：

1.https://hj.njtech.edu.cn/info/1066/2488.htm

相關論文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882

王煥庭個人主頁https://www.monash.edu/engineering/huantingwang#research

陸軍（音）的領英主頁https://www.linkedin.com/in/jun-lu-21a617236/?originalSubdomain=au

其他報道https://phys.org/news/2025-10-scientists-nanofluidic-chip-brain-memory.html

其他資料https://x.com/Dr_Singularity/status/1977133218512896270

運營/排版：何晨龍