MOF材料逆袭：从“无用”到“芯片新星”

曾被视为“理论大于实践”的MOF（金属有机框架），如今却摇身一变，成为芯片制造的新宠儿！

这种昔日遭冷落的新材料，刚获诺奖加持，便迅速被应用于芯片研发，真是让人惊叹不已！

（诺奖委员会这眼光，真是杠杠的！）

莫纳什大学的科学家们最新发布了一项令人瞩目的成果——利用MOF制造超微型流体芯片。

不同于传统芯片，这种新型芯片不仅能进行常规计算，还能记录之前的电压变化，展现类似大脑神经元般的短期记忆能力。

正如研究者所言，这或许是新一代计算机的雏形：

若能设计出如MOF这般仅几纳米厚的功能性材料，我们将能打造出先进的流体芯片，以弥补甚至超越现有电子芯片的局限性。

拥有“类脑”记忆机制的纳米流体芯片

在纳米级约束条件下，离子选择性传输在生物机制模拟、离子分离及离子电子器件等方面展现出巨大潜力。然而，制备高精度纳米通道器件却面临挑战。

而利用MOF材料制作的纳米流体芯片成功解决了这一难题。

MOF具备明确的通道结构，且能适配多种化学成分，可在分子和离子传输过程中实现原子级精度调控。

基于此，研究人员构建了一种分层纳米流体晶体管器件h-MOFNT。

该器件通过组装分层Zr-MOF-SO₃H晶体于聚合物单纳米通道（NC）中，制备了具有多个异质结的分层MOF基纳米流控器件。

具体步骤是将一个子弹形的纳米通道——氨基修饰PET NC薄膜，置于两个细胞之间。面向尖端的细胞填充配体水溶液，而另一细胞则放置金属前体水溶液。

当金属前体和配体分子在PET NC内相遇时，会形成核心并在尖端侧进一步聚合成MOF晶体。

于是，h-MOFNT包含两种类型的非均质通道结：

• 一维 (1D) 异质结：

直径100纳米，位于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纳米孔(PET NC)与MOF密集相之间。

• 三维 (3D) 的MOF相内部结：

由不同连接类型（9连接、12连接）的Zr–O簇构件相接，通过硫代对苯二甲酸(H₂BDC-SO₃H)赋予通道表面功能化，形成次级通道。

研究人员将h-MOFNT置于不同电压偏置下的0.1 M 氯化物金属离子溶液中进行电流-电压 (I–V) 测试，观察离子（特别是质子）的传输特性。

在HCl溶液中，低电压（0至0.2V）时电流迅速增加，中压范围（0.3至0.8V）时适度增加，高压（0.9至2V）时达到饱和水平，电流增长放缓。

不同于常见的二极管式整流行为，该器件展现出类似三极管的非线性质子传输特性，即质子传输并非简单的线性随电压增加，而是在一定区间内被“阈控”或“门控”。

漂移扩散实验确认HCl和KCl的阳离子转移数分别为0.86和0.81，表明该特性主要源自质子和K+离子的非线性电阻开关行为。

利用这一特性，研究人员用五个h-MOFNT通过并行编程构建了一个小型流体电路。实验发现随着并联的h-MOFNT数量从单个增至五个，产生了一系列非线性I-V曲线，模拟了通过增加门控电压实现电子FET的输出电流特性。

“无用”的逆袭