全文速览：近日，厦门大学洪文晶教授、刘俊扬副教授与中国科学院化学研究所张德清研究员合作在《Nature Communications》上发表题为“Single-molecule neuromorphic device with aJ-level power consumption per switching”的研究成果。
如何让智能器件既足够“聪明”，又足够“省电”，是当前信息科学与器件科学共同面对的重要挑战。人工智能的能力越强，耗电量也越惊人。像大语言模型背后是巨大的训练和推理能耗。有没有可能像人脑一样，用很少的能量完成学习、记忆和识别？
近日，研究团队给出了一种新答案：把神经形态器件做到单分子尺度，并让一个分子像生物突触一样拥有多个可调、可记忆的状态。团队提出栅压-偏压脉冲协同调制方法，实现了超过10个可分辨电导态，单次操作能耗低至约6.3阿焦耳，并演示了巴甫洛夫联想学习和摩斯电码识别等类脑功能。
当前用于训练和运行大模型的高性能GPU，单卡功耗通常可达数百瓦，而人脑只有约20瓦功耗，却能并行处理海量信息，其关键就在于，大脑不是像传统计算机那样不停地“搬数据、做运算”，而是依靠神经元和突触构成的网络，在需要时才发出脉冲信号。其中，突触是神经元之间传递信息的连接点。它最重要的能力之一叫突触可塑性：连接强弱不是固定的，而是会随着刺激不断增强或减弱。这种“连接强度可调”正是学习和记忆的基础。
对于人工器件来说，如果只能在“开”和“关”之间切换，就只能像普通开关那样工作；但如果能拥有多个稳定中间态，也就是所谓的多态，就更接近真实突触，既能存更多信息，也更适合神经形态计算。而单分子器件，则被认为是神经形态硬件的“极限形态”：尺寸最小，潜在能耗也最低。但问题是，分子太小、太灵活，在室温下总会振动和翻转，要让它稳定停留在多个状态，一直是国际上的难题。这项工作的突破，正是在单分子尺度上，把“可调”“可记”“可解释”这三件事同时做到了。
研究团队选用了一种名为MeO-TBT的分子作为功能核心，并利用电化学栅控的单分子可控裂结技术，在两个电极之间搭建并稳定悬停住单分子结。如果把这个器件类比为一个人工突触，那么：
分子就是最核心的“功能单元”
电导变化对应突触响应
外加电脉冲相当于神经刺激
分子的不同电导态，对应突触连接强弱的不同状态
因为生物突触并不是非强即弱，而是可以像调音量一样连续变化。状态越丰富，器件就越能模拟真实突触权重，也越有利于学习和记忆任务。因此，图1不仅是在展示一个单分子器件，更是在说明一个核心目标：让单个分子不只是导电，而是像突触那样“有记忆地导电”。
图1 单分子神经形态器件示意图。
图2 单分子神经形态器件中的突触可塑性模拟。
第一步：先把分子结“稳住”
要在单分子上做精细调控，前提是分子结不能一下子断掉或跳变。团队首先实现了分子结特定构型的稳定控制，这为后续同步施加不同电脉冲提供了条件。这一步很关键，因为如果分子结本身不稳定，就不可能区分后续看到的现象到底来自真正的分子响应，还是来自结构随机变化。
第二步：栅压脉冲负责“松锁”
MeO-TBT分子内部存在一种O-S构象锁（噻吩S原子和甲氧基的O原子之间的非共价作用），相当于给分子的形状加了一道“隐形卡扣”，让它更倾向于待在某些构型中。当施加栅压脉冲时，电解质中的四丁基铵阳离子（TBA⁺）会被驱动靠近分子，并与分子中的O-S偶极产生离子—偶极作用。这种作用会削弱原本的构象锁，让分子更容易发生构型变化。
第三步：偏压脉冲负责“推平”
与此同时，再施加偏压脉冲，会诱导分子中噻吩环和苯环的骨架趋于平面化，使二面角变小。对分子电子输运来说，这一点非常重要：越平，分子电导就越高。两种脉冲一起，分子电导就能被一步步“调高”。也就是说，这项工作不是简单让分子“开一下、关一下”，而是通过栅压和偏压协同作用，让分子逐步进入不同导电状态，从而实现类似突触权重连续增强的过程。
图2中看到的几个关键结果：单次脉冲刺激即可引发明显的兴奋性突触后电导响应（图2b），其单次操作能耗低至约6.34 aJ，已经逼近单分子器件的超低能耗极限（图2c）；通过双脉冲刺激，器件还表现出短时可塑性增强，说明它已经具备基础“学习”能力（图2d-e）；器件在不同脉冲条件下可呈现超过10个可分辨电导态（图2f）。简单说，我们不只是看到了单分子电导变化，而是真正把单个分子调成了一个可编程、多状态、低能耗的人工突触。
如果一个器件能表现出突触可塑性，那么下一步自然要问：它能不能完成真正的类脑任务？我们实验给出的答案是：可以。
图3 联想学习与摩斯电码识别。
1.巴甫洛夫联想学习（图3a-b）
大家熟悉的巴甫洛夫实验里，狗原本只会对食物分泌唾液；但如果把铃声和食物反复同时出现，最后狗听到铃声也会产生反应。这本质上是一种联想学习：两个原本没有直接关系的刺激，因为反复共同出现，建立了连接。在这项工作中，研究团队用不同电脉冲输入来模拟这种过程。通过协同刺激，单分子器件逐渐建立起稳定响应，实现了类似条件反射的行为。这说明器件不只是“被动导电”，而是具有了最基础的联想学习功能。
2.摩斯电码识别（图3c）
摩斯电码由长短不同的脉冲序列组成，本质上是一种时间模式识别问题。研究团队利用器件对脉冲时序和响应强度的敏感性，用不同的突触后电导幅值来区分“.”和“—”，从而实现摩斯电码识别。这一步很有代表性，因为它说明这个单分子器件不只是对“有没有刺激”有反应，还能够识别“刺激是怎么来的”。换句话说，它已经开始具备对时间信息进行编码和处理的能力。
现象很重要，但更重要的是：为什么会这样？如果不能解释机制，就很难说这种器件是可设计、可推广的。因此，团队进一步结合了分子动力学模拟、透射谱计算和能量分析，去解析器件的机制。
图4 单分子神经形态器件中的多电导态机制解析。
1.离子距离分子远近不同，器件状态就不同（图4）
理论计算结果表明，TBA⁺阳离子和MeO-TBT分子之间会存在不同的相互作用距离。当离子靠得更近时，和分子的耦合作用更强；当离子逐步远离时，这种耦合作用减弱，系统进入不同的耦合/解耦状态。进一步的透射谱计算表明，在不同离子—偶极作用距离下，分子的电子透射能力会发生系统性变化。这意味着实验中看到的多电导态，并不是随机噪声，而是对应着清晰可分的微观状态。
2.为什么高电导态不会立刻消失？
当外加脉冲撤去后，阳离子不会瞬间回到原来的位置，而是会逐渐向电解质体相扩散。正是这个“慢慢离开”的过程，让分子的高电导态得以保留一段时间，再逐步下降。也就是说，器件之所以能像突触一样“记住一会儿”，不是因为它静止不动，而是因为它内部存在一个可控的动态恢复过程。这正是从短时记忆走向长时记忆的物理基础。
3.多个低能构象，共同带来多态存储
能量计算还表明，MeO-TBT分子本身就存在多个低能稳定构象。这些构象对应不同的二面角、不同的平面化程度，也对应不同的电子输运能力。当离子作用、构象变化和弛豫过程叠加在一起时，就最终形成了实验中看到的多电导态、非易失性保持和长程可塑性。
综上，这个器件的“会学习、能记忆”不是偶然，而是来源于离子迁移、分子构象演化和弛豫动力学共同作用的结果。
单分子的神经形态计算是这个领域的长期挑战，但要把它从实验上真正做成“像突触”的器件并不容易。这项工作的特别之处，主要体现在三点：
1.不是简单看电导，而是实现了“稳定可控”的单分子构型调控
研究团队首先实现了分子结的长时间稳定悬停，这让同步施加栅压和偏压成为可能。这一步为后续机制调控打下了基础。
2.不是单一刺激，而是建立了栅压-偏压协同调制方法
团队不是只用一种电刺激去“碰碰运气”，而是分别让
栅压控制离子靠近分子、削弱构象锁
偏压推动分子骨架趋于平面化、提高导电性
不是简单看电导，而是实现了“稳定可控”的单分子构型调控
两者协同，才实现了可编程、多级、低能耗的单分子突触行为。
3. 不是只展示现象，而是把机制讲清楚了
通过分子动力学模拟、透射谱分析和弛豫机制研究，团队系统解释了多电导态和记忆行为的来源。这意味着这项工作不仅有实验结果，也有清晰的机制研究。
— 总结与展望 —
从更大的视角看，这项工作的意义不只是“做出了一个很小的器件”，而是提出了一种在单分子尺度实现类脑功能的新思路。通过离子-分子动态耦合和栅压-偏压协同调控，研究团队让单个分子具备了类似生物突触的多态、可塑性和记忆能力，并将操作能耗压低到阿焦耳量级。未来，随着器件稳定性、可集成性和阵列化水平的进一步提升，这类单分子神经形态器件有望为超低功耗人工智能芯片、边缘计算和新型类脑系统提供全新的底层硬件方案。
厦门大学化学化工学院洪文晶/刘俊扬团队开展了仪器搭建、实验表征及理论机制分析，中科院化学所张德清研究员团队提供了分子体系的设计合成。原中科院化学所博士、厦门大学博士后仉花（现厦门大学表界面化学全国重点实验室研究助理）、厦门大学博士后叶婧瑶、厦门大学副教授高铭滨为论文共同第一作者。厦门大学在读博士闫陈帅、姜以强、张贝、原嘉庚实验室博士后周彧（现华中农业大学副教授）、中科院化学所博士尚万送和陈亮亮等人也参与了该工作。
洪文晶，国家杰青，厦门大学化学化工学院、材料学院和人工智能研究院教授，博士生导师，研究生院常务副院长，嘉庚实验室副主任，美国化学会界面科学经典期刊Langmuir副主编。主要从事分子科学和人工智能的交叉学科研究，以通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Chem.、Nat. Catal.等发表论文百余篇，主持高分子材料人工智能应用攻关工程国家重大项目、国家新材料重大专项、原创探索计划等项目，获中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、中国专利奖优秀奖等。
刘俊扬，厦门大学化学化工学院副教授，博士生导师，南强青年拔尖人才 B 类，福建省“雏鹰计划”人才，基于微纳芯片方法研究单分子尺度受限空间中强物理场效应诱导的电子、能量转移和化学反应及其动力学过程，发展单分子器件及其阵列集成方法。主持基金委培育、面上、青年和福建省科技厅产学合作项目，作为第一或通讯作者（含共同）在 Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.等期刊发表论文39篇，授权发明专利11项，其中1项获中国专利奖优秀奖。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71127-2
