曾遭质疑的诺奖成果，被华人团队制成未来芯片的「钥匙」

【导读】今年诺贝尔化学奖成果MOF曾被质疑缺乏实用性，而一个海外几乎全华人的科研团队发现其可用于制造「流体芯片」，突破目前半导体芯片的瓶颈，该成果近期发表在Science子刊上。

2025年诺贝尔化学奖授予了金属有机框架（MOF）材料的开创者们。

这种材料被誉为「分子筛」，像微观世界的筛子或海绵，内部充满纳米级孔洞，能筛选、储存特定分子。

同时，MOF好比化学版的「纳米乐高积木」，可用不同金属节点和有机分子自由拼接出各种孔道结构，精确控制孔径大小和化学功能。

凭借这些特性，MOF在气体储存、催化等领域发表了大量论文，但因稳定性差、成本高等，实际应用少。诺奖组委会在颁奖词中指出MOF「潜力巨大」，为新功能材料提供机会，也暗示需找到适用场景。

现在，MOF应用场景似乎出现了：科学家用MOF材料造出纳米级液体芯片，能执行逻辑运算，还能「记住」信号状态，产生类似大脑神经元的记忆效应。

MOF变芯片，在纳米孔里「种」出电路

平常所说的芯片多是硅基电子芯片，依靠电子传递、处理信息，而「流体芯片」以液体中离子流动模拟电子电路。

研究团队设计了特殊的纳米流体晶体管，核心材料是MOF。芯片如硬币大小，结构精巧。科研人员先在聚合物膜上制造纳米级小孔道，再在孔道内原位生长MOF晶体，形成复杂的分级「离子迷宫」。

研究人员选用含锆（Zr）金属簇和对苯二甲酸衍生物的MOF材料，将氨基修饰的纳米孔道膜夹在两个溶液池之间，让两种溶液分子在孔道中结合生长MOF晶体。晶体内部自发形成多个分界面，包括聚合物孔道与MOF晶体间的一维异质结界面，以及MOF晶体内部的微小界面和次级孔道，这些层级孔道和界面是芯片与众不同的秘密。

离子晶体管，像三极管一样控制质子流

研究人员将制备好的MOF纳流体晶体管浸入含不同离子的溶液中，测量电流 - 电压特性。实验发现，使用盐酸（HCl）溶液时，芯片电流随电压变化呈强烈非线性。低电压下电流迅速上升，中等电压上升趋缓，电压超过约0.9V时电流增长饱和。

这种特性类似电子学中三极管或场效应管，只有质子触发了特殊的非线性开关。奥秘在于MOF晶体内部的孔道和界面产生的「内建电势」阻挡质子，外加电压超过阈值时，质子才能成群通过，且会使电流趋于饱和。

MOF纳米孔道实现了对质子流的开关调控，相当于离子版电子晶体管。研究人员验证了这种非线性传导是质子独有的，跟溶液环境无关，还通过「归属分析」证明质子的非线性「开关」传导和普通离子的线性行为不同。芯片通过MOF材料的分级孔道实现了对不同离子的选择性传输，这就是「选择性离子传输」的由来。

会「记忆」的离子通路，仿神经元学习效应

MOF离子晶体管不仅能控制离子流通断，还展现出「记忆」能力。对芯片施加循环变化的电压时，电流响应与此前经历的电压有关，电流 - 电压回路呈现滞后环，类似记忆电阻的特征。芯片对快速连续的刺激「记性更好」，对间隔久的刺激「容易忘却」，记忆效应可持续数秒，类似大脑中短期记忆的特性。

研究人员将五个MOF离子晶体管并联组成小型流体电路，模拟复杂信号处理，发现电路输出曲线有规律地非线性变化，可像设计电子电路一样组合离子晶体管实现可编程模拟计算。这种离子电路具备类神经网络特质，有望用于构建仿脑计算系统。

分子尺度，潜力巨大

利用分子和离子搭建信息处理电路的设想正成为现实。研究团队用MOF材料在分子尺度实现了电路的逻辑和存储功能，成果发表在2025年9月的Science子刊Science Advances杂志上。

这证明了MOF材料的价值，开创了「液态电子学」的新可能。未来计算机芯片或许不再局限于硅半导体，可能有「液态」组件，利用离子流动处理信息，高效模拟生物神经网络。有了MOF这样的「纳米积木」，我们能在纳米世界搭建电路，在不远的将来，基于液体的分子逻辑电路或许将成为现实。

参考资料：

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

本文来自微信公众号“新智元”，编辑：艾伦，36氪经授权发布。

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