水流代替電流，傳統矽基產業要變天？

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”，甚至給矽基晶片一個拋開傳統馮·諾依曼架構的機會，真正地模擬人類大腦進行神經訊號傳遞。

01. 一枚「水」做的類腦晶片

近日澳洲莫納什大學的研究團隊成功開發出一種“液體晶片”，它不僅能計算，還能“記住”你上一步幹了什麼——這就是科學家們一直想模擬的計算與儲存一體的“超級節能大腦”，也被稱為“神經晶片”。

比較特別的是，這次科學家突破矽基晶片侷限開闢新路徑，使用液態電路做出一枚只有硬幣大小的奈米流體晶片。

所謂液態電路，簡單來說就是用溶於水的離子來跑電路，是不是有點像鋰離子動力電池？液態電路確實是用「離子流」取代傳統「電流」來進行資訊處理，可以說是利用液體中的帶電離子作為資訊載體，來取代傳統固態電路中電子的新型資訊處理系統。

莫納什大學研究團隊的水基晶片，靠的就是內部這個MOF結構

在晶片奈米級水通道中，質子以超越傳統晶片千倍的速度穿梭，模擬人類大腦的神經訊號傳遞。當一束質子流在複雜的奈米通道網路中疾馳，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訊號傳遞一樣，呈現出非線性、自適應的特性。

至於所使用的核心材料，就是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來建構出奈米級甚至埃米級分層通道系統，以實現精確的離子傳輸控制。

02. MOF“水上樂園”兩條隧道，兩種規則

精準地說，團隊用到的是基於MOFs的奈米流體電晶體裝置（h-MOFNT）。

對於MOFs我們應該不算陌生了，它是一種精巧的“分子建築”，其結構原理堪比微觀世界的“搭積木”，而且是裡面別有洞天，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，龐大的內部空間讓材料能高效吸附、儲存或分離氣體與液體，其孔隙結構具有可調性。研究者可依不同應用需求，精確調整框架內部的化學環境。

那在這個「水」晶體裡它扮演了什麼角色呢？

傳統晶片製造其實就是想盡辦法在奈米尺度的矽基板上刻畫圖案，但澳洲的研究員不是，他們是在建造奈米級的「水上樂園」。

研究團隊用高能量離子束，在一片塑膠薄膜上「轟」出幾條極為微小的錐形隧道；再透過化學手段，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奈米；另一種隧道只有0.6奈米，也就是6艾米寬。兩種不同寬度的隧道交織在一起，形成了MOF內部的3D異質結構結－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。例如金屬離子就只能在奈米通道裡傳輸​​，跟二極體中的電流很像；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，從奈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位，像道牆一樣影響質子的傳導，使得電流飽和。

這道「牆」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。

03. 低耗能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，還沒有一個研究團隊能在奈米流體裝置中觀察到質子的飽和非線性傳導現象，也就是類腦神經突觸的表現。

團隊這次在論文中展示的是包含多個MOF通道的小型流體電路，實驗結果顯示，該晶片不僅能像電晶體一樣響應電壓變化，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，這意味著它既能計算又能學習，就像生物神經網路一樣。

最重要的是，與需要精密半導體製造製程的傳統晶片不同，這種水基晶片透過溶液中的離子運動來傳遞訊息，能耗會大幅降低。雖然目前它仍處於實驗室階段，但其低能耗、高並行性的特點，不正好契合了人工智慧運算對能源效率的極致追求？ （壹零社）