水流代替电流，传统硅基产业要变天？

刚刚拿了诺贝尔化学奖的金属有机框架（MOFs）不仅能存水、存二氧化碳、储氢，还能用来“盖电脑”，甚至给硅基芯片一个抛开传统冯·诺依曼架构的机会，真正地模拟人类大脑进行神经信号传递。

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一枚“水”做的类脑芯片

近日澳大利亚莫纳什大学的研究团队成功开发出一种“液体芯片”，它不仅能计算，还能“记住”你上一步干了什么——这就是科学家们一直想模拟的计算与存储一体的“超级节能大脑”，也被称为“神经芯片”。

比较特别的是，这次科学家们突破硅基芯片局限开辟新路径，使用液态电路做出一枚只有硬币大小的纳米流体芯片。

所谓液态电路，简单来说就是用溶于水的离子来跑电路，是不是有点像锂离子动力电池？液态电路确实是用“离子流”代替传统“电流”来进行信息处理，可以说是一种利用液体中的带电离子作为信息载体，来代替传统固态电路中电子的新型信息处理系统。

莫纳什大学研究团队的水基芯片，靠的就是内部这个MOF结构

在芯片纳米级水通道中，质子以超越传统芯片千倍的速度穿梭，模拟着人类大脑的神经信号传递。当一束质子流在复杂的纳米通道网络中疾驰，它们的行为不再遵循传统的线性规律，而是像人类神经元之间的信号传递一样，呈现出非线性、自适应的特性。

至于所用的核心材料，就是刚刚获得诺贝尔化学奖肯定的金属有机框架。研究团队正是利用MOF才能构建出纳米级甚至埃米级分层通道系统，从而实现精确的离子传输控制。

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MOF“水上乐园”

两条隧道，两种规则

准确地说，团队用到的是基于MOFs的纳米流体晶体管器件（h-MOFNT）。

对于MOFs我们应该不算陌生了，它是一种精巧的“分子建筑”，其结构原理堪比微观世界的“搭积木”，而且是里面别有洞天，外面看只不过是小小一“芥子”。

MOFs不仅实现了结构的可控性，也突破了材料的物理极限。它们拥有前所未有的超大比表面积，巨大的内部空间让材料能高效吸附、储存或分离气体与液体，而且其孔隙结构具有可调性。研究者可根据不同应用需求，精确调整框架内部的化学环境。

那在这个“水”晶体里它起到了什么作用呢？

传统芯片制造其实就是想尽办法在纳米尺度的硅衬底上刻画图案，但澳大利亚的研究员们不是，他们是在修建纳米级的“水上乐园”。

研究团队用高能离子束，在一片塑料薄膜上“轰”出几条极其微小的锥形隧道；再通过化学手段，让MOFs这种“海绵晶体”直接在隧道里长出来，填满整个隧道。

隧道也是不同的，有两种:一种比较宽，有2纳米；另一种隧道只有0.6纳米，也就是6埃米那么宽。两种不同宽度的隧道交织在一起，形成了MOF内部的3D异质结构接面——这个可是关键。

因为研究团队又发现，这个结构可以选择性地控制质子和金属离子的流动。比如金属离子就只能在纳米通道里传输，跟二极管中的电流很像；但如果是质子，整个流动状态就会变得特别不稳定，直接实现了离子特异性的非线性传输——说白了就是模仿我们大脑的神经传输。

当施加的电压超过一个阈值时，质子才会开始乱动，从纳米级的通道跳到埃米级通道，此时它们又会因为能量障碍太高而卡住、积聚。这堆积在两个通道处的质子会瞬间形成一个内建电势，像道墙一样影响质子的传导，使得电流饱和。

这道“墙”能大概存在十秒钟，直到积聚的质子消散掉，这其实就是“忆阻器”的特性：其电阻状态会随着先前通过的电流而改变，这个是神经学习和记忆功能的基础所在。

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低能耗AI的潜力新星

这确实是离子电子学领域的一大突破，在此之前，还没有哪个研究团队能在纳米流体器件中观察到质子的饱和非线性传导现象，即类脑神经突触的表现。

团队这次在论文中展示的是一个包含多条MOF通道的小型流体电路，实验结果显示，该芯片不仅能像晶体管一样响应电压变化，还如前所述，展现出记忆效应。这说明它能够模仿大脑神经元的可塑性，意味着它既能计算又能学习，就像生物神经网络一样。

最重要的是，与需要精密半导体制造工艺的传统芯片不同，这种水基芯片通过溶液中的离子运动来传递信息，能耗会大幅降低。虽然目前它仍处于实验室阶段，但其低能耗、高并行性的特点，不正好契合了人工智能计算对能效的极致追求？

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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