澳洲华人团队用最新诺奖成果造芯片，或可弥补当前电子芯片局限

今日新闻 2025年10月14日 00:53 0 admin

几天前，三位科学家凭借金属有机框架（MOF，metal organic framework）的成果获得 2025 年诺贝尔化学奖，让这一原本就比较火热的研究领域再添一把“燃柴”。

图 | 几位科学家凭借金属有机框架成果获得 2025 年诺贝尔化学奖（来源：诺贝尔奖官网）

同样在前不久，澳洲一支华人团队利用金属有机框架造出一种基于液体的微型芯片，其具备类似于大脑的神经通路，有望为新一代计算设备打开大门。这款芯片的面积大约有硬币大小，能像晶体管一样通过微观通道传输离子。不同于传统芯片，这款金属有机框架芯片可以保留过去信号的记忆。之所以能够形成这种短期记忆，是因为该芯片可以选择性地控制质子和金属离子的流动，并且能够记住之前的电压变化。同时，它能够模仿大脑神经元的可塑性，这意味着它既能计算、又能学习，就像生物神经网络一样。

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

展示金属有机框架在下一代计算设备中的潜力

据了解，澳大利亚工程院院士、澳大利亚莫纳什大学王焕庭教授带领团队和合作者完成了此次成果，相关论文发表于 Science Advances，胡晓怡（音）和徐亨宇是其中两位论文共同一作。

图 | 王焕庭（来源：https://www.monash.edu/engineering/huantingwang#research）

研究中，该团队首次在纳米流体装置中观察到了质子的饱和非线性传导，这能为研发具有记忆能力甚至具有学习能力的离子电子系统开辟新的机遇，这一芯片也展示了金属有机框架这种纳米多孔材料在下一代计算设备中的潜力。王焕庭在莫纳什大学的新闻稿中表示，未来如能设计出厚度仅有几纳米的金属有机框架功能材料，就可以造出流体芯片，从而能够弥补甚至克服当前电子芯片的一些局限性。

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

为了展示这款芯片的潜力，王焕庭和团队构建了一个包含多个金属有机框架通道的小型流体回路。实验中，他们发现这款芯片在响应电压变化时，不仅会模仿电子晶体管的行为，还表现出一定的记忆效应，这说明其未来有望用于基于液体的数据存储或用于受大脑启发的计算系统。

论文共同一作兼共同通讯作者、莫纳什大学博士毕业生、目前在美国加州大学伯克利分校担任访问学者的陆军（音）在官方新闻稿中表示，这款芯片是一项首创性成果，一方面它使用的是液体而非使用固定电路，另一方面它朝着打造和人类思考更加相似的计算设备迈出了重要一步。由于这款芯片采用了分层结构设计，故能以完全不同的方式控制质子和金属离子，这是一种具备一定选择性的非线性离子传输方式，在纳米流体技术领域是第一次出现。

图 | 陆军（音）（来源：https://www.linkedin.com/in/jun-lu-21a617236/?originalSubdomain=au）

据了解，这种传输是通过基于分层金属有机框架的纳米流体晶体管器件（h-MOFNT，hierarchical MOF–based nanofluidic transistor device）实现的，这与类二极管的金属离子传输形式有着明显不同。具体来说，通过将分层金属有机框架晶体组装在聚合物单纳米通道（NC，nanochannel）中，该团队制备出了 h-MOFNT，并发现该器件能够处理多维通道异质结。

通过实验和模拟，他们揭示了 h-MOFNT 中的非线性质子传输背后的潜在机制，证明了跨相质子传导引起的金属有机框架相内通道异质结两端内建电势的自门控效应，这种效应只能通过施加高于阈值的电压 VDS 来激活，这也是非线性离子传输的独特机制。

需要说明的是，h-MOFNT 在现阶段依然是一款概念性验证器件。尽管如此，作为一种具有短期记忆特性的创新型纳米流体忆阻器，它表现出了类三极管的电荷传导。这种无需物理门控电极即可实现的离子响应自门控电阻开关，有望通过针对多维通道异质结进行合理设计，来激发人们对于先进流体离子电子学的研究。

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

基于分级金属有机框架的纳米流体装置制备

在基于分级金属有机框架的纳米流体装置的制备上，该团队通过将分层 Zr-MOF-SO3H 晶体，组装到子弹形氨基功能化聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米通道（PET NC，polyethylene terephthalate nanochannel）的尖端侧区域，借此制备了一种具有多个异质结的分层金属有机框架基纳米流体器件，从而让靠近基底侧的局部区域不会被金属有机框架相所覆盖。

简单来说，当将带有单个子弹形纳米通道的氨基改性 PET 纳米通道薄膜夹在两个电池之间的时候，面向尖端侧的电池填充着配体水溶液，而另一个电池填充着金属前体水溶液。金属前体和配体分子会在 PET 纳米通道之中相遇并形成晶核，晶核在基底的尖端侧会进一步生长成为高度互生的金属有机框架多晶相。

研究中，该团队选择 PET 纳米通道作为构建金属有机框架基纳米流体器件的基底，之所以这样做是因为在 PET 纳米通道壁悬挂的游离苯甲酸基团，可以作为配体单元与次级构建单元配位，从而促进金属有机框架异质的形核和生长。这让金属有机框架多晶相和 PET 纳米通道之间的互生程度，可以最大程度地减少金属有机框架和 PET 纳米通道壁之间可能存在的间隙的影响，也证明了该团队所使用的方法对于金属有机框架多晶相的小规模合成十分有效。

纳米流体的选择性非线性离子传输

研究中，该团队使用双电极研究了 h-MOFNT 在多种电解质溶液中的电流特性和电压特性。

实验发现，在 0.1M HCl 溶液中，h-MOFNT 呈现出 S 形的 I-V 曲线。相比之下，h-MOFNT 在 0.1M 氯盐溶液（KCl、NaCl、LiCl、CaCl₂ 和 CeCl₃）中则呈现出二极管状的 I-V 曲线，并且其离子整流比均高于在 HCl 溶液的时候。h-MOFNT 在 HCl 溶液里呈现出的这种非线性传输特性，非常类似于电子场效应晶体管（FET，Field-Effect Transistor）的电流输出特征，但却无需像传统电子场效应晶体管或纳米流体场效应晶体管那样使用物理栅极电极。

为了和二极管状的非线性 KCl 传输进行区分，该团队将这种独特的质子非线性传导现象命名为“三极管样”特性。通过漂移-扩散实验，他们测出了 h-MOFNT 的阳离子迁移数，具体来说 h-MOFNT 在 HCl 溶液和 KCl 溶液中的阳离子迁移数分别达到 0.86 和 0.81，这表明质子和 K+ 离子分别是产生对应非线性传导特性的主导载流子。

通过分段的线性拟合 I-V 曲线，他们发现在两种电压极性之下，质子非线性传导都呈现出三阶段的电阻切换特性。具体来说，在正电压区间，高电压和低电压偏压下的电阻比值高达 220 倍左右。而二极管状的 K+ 传导仅仅通过电压极性改变来实现两阶段的电阻切换，其电阻比大约为 50 倍。

具备类电子和仿生离子电子应用，通讯作者此前已孵化两家公司

为了展示 h-MOFNT 在离子电子学中的应用前景，该团队制备了 5 个 h-MOFNT 样品，利用并行编程设计了一个流体电路。随着并联 h-MOFNT 的数量从 1 个增加到 5 个，原本设定好的 0.1M HCl 的流体电路产生了一系列的非线性 I-V 曲线，这意味着它能够模仿电子场效应晶体管的输出电流特性，即能够通过增加栅极电压的方式来增加输出电流。

此外，该团队通过扫描环路电压发现，h-MOFNT 表现出明显的磁滞回线效应，而且随着扫描速率从 500mV/s 降低到 100mV/s，h-MOFNT 表现出收缩磁滞回线，这表明非线性质子传输对于电压扫描频率具有一定的依赖性。这两种特征以及本征的类三极管 IV 表明：h-MOFNT 是一种全新的纳米流体离子忆阻器。

总的来说，他们证明基于金属有机框架的多维异质结纳米流控器件可以实现前所未有的非线性选择性离子传输，即能够实现类三极管的非线性质子传导。值得一提的是，这种饱和现象的非线性质子传输源于金属有机框架本征纳米尺度通道-埃级尺度通道（NC-AC，Nanoscale Channel-Angstrom-scale Channel）结两端内建电势的门控效应，而这种效应是通过质子特有的跨相传导实现的。

由于忆阻非线性离子传输特性源于金属有机框架的本征异质结结构，因此基于单晶胞或多晶胞厚度的可编程金属有机框架，在设计流控芯片上具有广阔的前景，这能为应对电子芯片尺寸缩小的挑战提供了一种替代方法。未来，通过合理地设计异质限制系统，有望实现基于液体的信息存储甚至实现类脑计算。

图 | 2023 年王焕庭来到国内交流（来源：https://hj.njtech.edu.cn/info/1066/2488.htm）

值得注意的是，担任本次论文通讯作者的王焕庭本科和硕博分别毕业于华东理工大学和中国科学技术大学，2005 年他加入莫纳什大学任教至今。他同时还是由东南大学和莫纳什大学在苏州联合创办的研究生院——莫纳什大学苏州校区的科研副校长。在科研之余，他基于自己在莫纳什大学的科研成果参与创办了两家衍生膜科技公司[1]。

参考资料：

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

相关论文https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw7882

王焕庭个人主页https://www.monash.edu/engineering/huantingwang#research

陆军（音）的领英主页https://www.linkedin.com/in/jun-lu-21a617236/?originalSubdomain=au

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

其他资料https://x.com/Dr_Singularity/status/1977133218512896270

运营/排版：何晨龙