水流代替電流，傳統硅基產業要變天？

剛剛拿了諾貝爾化學獎的金屬有機框架（MOFs）不僅能存水、存二氧化碳、儲氫，還能用來“蓋電腦”，甚至給硅基芯片一個拋開傳統馮·諾依曼架構的機會，真正地模擬人類大腦進行神經信號傳遞。

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一枚“水”做的類腦芯片

近日澳大利亞莫納什大學的研究團隊成功開發出一種“液體芯片”，它不僅能計算，還能“記住”你上一步干了什么——這就是科學家們一直想模擬的計算與存儲一體的“超級節能大腦”，也被稱為“神經芯片”。

比較特別的是，這次科學家們突破硅基芯片局限開辟新路徑，使用液態電路做出一枚只有硬幣大小的納米流體芯片。

所謂液態電路，簡單來說就是用溶于水的離子來跑電路，是不是有點像鋰離子動力電池？液態電路確實是用“離子流”代替傳統“電流”來進行信息處理，可以說是一種利用液體中的帶電離子作為信息載體，來代替傳統固態電路中電子的新型信息處理系統。

莫納什大學研究團隊的水基芯片，靠的就是內部這個MOF結構

在芯片納米級水通道中，質子以超越傳統芯片千倍的速度穿梭，模擬著人類大腦的神經信號傳遞。當一束質子流在復雜的納米通道網絡中疾馳，它們的行為不再遵循傳統的線性規律，而是像人類神經元之間的信號傳遞一樣，呈現出非線性、自適應的特性。

至于所用的核心材料，就是剛剛獲得諾貝爾化學獎肯定的金屬有機框架。研究團隊正是利用MOF才能構建出納米級甚至埃米級分層通道系統，從而實現精確的離子傳輸控制。

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MOF“水上樂園”

兩條隧道，兩種規則

準確地說，團隊用到的是基于MOFs的納米流體晶體管器件（h-MOFNT）。

對于MOFs我們應該不算陌生了，它是一種精巧的“分子建筑”，其結構原理堪比微觀世界的“搭積木”，而且是里面別有洞天，外面看只不過是小小一“芥子”。

MOFs不僅實現了結構的可控性，也突破了材料的物理極限。它們擁有前所未有的超大比表面積，巨大的內部空間讓材料能高效吸附、儲存或分離氣體與液體，而且其孔隙結構具有可調性。研究者可根據不同應用需求，精確調整框架內部的化學環境。

那在這個“水”晶體里它起到了什么作用呢？

傳統芯片制造其實就是想盡辦法在納米尺度的硅襯底上刻畫圖案，但澳大利亞的研究員們不是，他們是在修建納米級的“水上樂園”。

研究團隊用高能離子束，在一片塑料薄膜上“轟”出幾條極其微小的錐形隧道；再通過化學手段，讓MOFs這種“海綿晶體”直接在隧道里長出來，填滿整個隧道。

隧道也是不同的，有兩種:一種比較寬，有2納米；另一種隧道只有0.6納米，也就是6埃米那么寬。兩種不同寬度的隧道交織在一起，形成了MOF內部的3D異質結構接面——這個可是關鍵。

因為研究團隊又發現，這個結構可以選擇性地控制質子和金屬離子的流動。比如金屬離子就只能在納米通道里傳輸，跟二極管中的電流很像；但如果是質子，整個流動狀態就會變得特別不穩定，直接實現了離子特異性的非線性傳輸——說白了就是模仿我們大腦的神經傳輸。

當施加的電壓超過一個閾值時，質子才會開始亂動，從納米級的通道跳到埃米級通道，此時它們又會因為能量障礙太高而卡住、積聚。這堆積在兩個通道處的質子會瞬間形成一個內建電勢，像道墻一樣影響質子的傳導，使得電流飽和。

這道“墻”能大概存在十秒鐘，直到積聚的質子消散掉，這其實就是“憶阻器”的特性：其電阻狀態會隨著先前通過的電流而改變，這個是神經學習和記憶功能的基礎所在。

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低能耗AI的潛力新星

這確實是離子電子學領域的一大突破，在此之前，還沒有哪個研究團隊能在納米流體器件中觀察到質子的飽和非線性傳導現象，即類腦神經突觸的表現。

團隊這次在論文中展示的是一個包含多條MOF通道的小型流體電路，實驗結果顯示，該芯片不僅能像晶體管一樣響應電壓變化，還如前所述，展現出記憶效應。這說明它能夠模仿大腦神經元的可塑性，意味著它既能計算又能學習，就像生物神經網絡一樣。

最重要的是，與需要精密半導體制造工藝的傳統芯片不同，這種水基芯片通過溶液中的離子運動來傳遞信息，能耗會大幅降低。雖然目前它仍處于實驗室階段，但其低能耗、高并行性的特點，不正好契合了人工智能計算對能效的極致追求？

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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