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二维导电金属有机框架增强突触可塑性以实现动态图像刷新、分类及传出神经肌肉系统功能

Two-Dimensional Electrically Conductive Metal-Organic Framework Boosts Synaptic Plasticity for Dynamic Image Refresh, Classification, and Efferent Neuromuscular Systems.

作者信息

Wei Huanhuan, Liu Jiaqi, Ni Yao, Hu Xuanxin, Lv Xiuliang, Yang Lu, He Gang, Xu Zhipeng, Gong Jiangdong, Jiang Chengpeng, Feng Dawei, Xu Wentao

机构信息

Institute of Photoelectronic Thin Film Devices and Technology, Nankai University, Tianjin 300350, PR China.

School of Materials Science and Engineering, Anhui University, Hefei, 230601, PR China.

出版信息

Nano Lett. 2024 Dec 4;24(48):15379-15387. doi: 10.1021/acs.nanolett.4c04650. Epub 2024 Nov 21.

DOI:10.1021/acs.nanolett.4c04650
PMID:39570189
Abstract

We present a two-dimensional (2D) electrically conductive metal-organic framework (EC-MOF)-based artificial synapse. The intrinsic electronic conductivity and subnanometer channels of the EC-MOF facilitate efficient ion diffusion, enable a high density of active redox centers, and significantly enhance capacitance within the artificial synapse. As a result, the synapse operates at an ultralow voltage of 10 mV and exhibits a remarkably low power consumption of approximately 1 fW, along with the longest retention time recorded for two-terminal electrolyte-type artificial synapses to date. The alignment of the quantum size of the subnanometer pores in the EC-MOF with various cations allows for versatile synaptic plasticity. This capability is applied to image refresh, classification, and efferent signal transmission for controlling artificial muscles, thereby offering a methodology for achieving tunable neuromorphic properties. These findings suggest the potential application of metal-organic frameworks in artificial nervous systems for future brain-inspired computation, peripheral interfaces, and neurorobotics.

摘要

我们展示了一种基于二维(2D)导电金属有机框架(EC-MOF)的人工突触。EC-MOF的固有电子导电性和亚纳米通道促进了高效的离子扩散,实现了高密度的活性氧化还原中心,并显著增强了人工突触内的电容。结果,该突触在10 mV的超低电压下运行,表现出约1 fW的极低功耗,以及迄今为止两终端电解质型人工突触记录的最长保持时间。EC-MOF中亚纳米孔的量子尺寸与各种阳离子的排列允许实现多功能的突触可塑性。这种能力被应用于图像刷新、分类以及用于控制人工肌肉的传出信号传输,从而提供了一种实现可调谐神经形态特性的方法。这些发现表明金属有机框架在未来受大脑启发的计算、外周接口和神经机器人的人工神经系统中具有潜在应用。

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