比盖摩天大楼还难！光“牵引束”终于实现在纳米尺度下组装材料

清风哥

现代建筑是一种精准的努力，建造者必须使用满足特定标准的构件，例如所需组成的梁或特定尺寸的铆钉。建筑行业依赖制造商来可靠和可重复地制造这些组件，以便建造安全的桥梁和坚固的摩天大楼。现在想象一下在更小的纳米尺度规模下建造，小于一张纸1/100的厚度。这是科学家在量子计算等领域开发潜在突破性技术的尺度规模，这也是一个传统制造方法根本不起作用的尺度。标准工具，即使是小型化的，也太笨重，太有腐蚀性，不能在纳米尺度下可再生地制造组件。

华盛顿大学的研究人员开发了一种方法，可以使纳米级的可再生制造成为可能。该小组采用了一种在生物学中广泛使用基于光的技术（称为光阱或光镊）在富碳有机溶剂的无水液体环境中操作，从而实现了新的潜在应用。正如该团队发表在《自然通讯》期刊上的研究那样，光镊充当了一种基于光的“牵引束”，可以将纳米级半导体材料精确地组装成更大的结构。与科幻小说中抓住宇宙飞船的拖拉机光束不同，该团队使用光镊捕获比一米短近十亿倍的材料。

威斯康星大学材料科学和工程学副教授，分子工程与科学研究所和纳米工程系统研究所的教员，以及太平洋西北国家实验室的高级科学家，该研究的联合资深作者Peter Pauzauskie说：这是一种新的纳米制造方法。制造过程中没有腔体表面，这最大限度地减少了应变或其他缺陷的形成。所有组件都悬浮在溶液中，我们可以控制纳米结构的大小和形状，因为它是一块一块组装的。威斯康星大学化学工程助理教授，也是清洁能源研究所和分子工程与科学研究所的教员，该研究的共同资深作者文森特·霍姆伯格说：

在有机溶剂中使用这项技术可以让我们处理那些在与水或空气接触时会降解或腐蚀的成分。有机溶剂还有助于对正在使用的材料进行过热，使我们能够控制材料转化并驱动化学。为了证明这种方法的潜力，研究人员使用光镊构建了一种新的纳米线异质结构，这是一种由不同材料组成不同部分组成的纳米线。纳米线异质结构的起始材料是较短的晶体锗“纳米棒”，每根只有几百纳米长，几十纳米直径，大约比人类头发细5000倍，每一个都用金属铋纳米晶体覆盖。

然后，研究人员使用基于光的“拖拉机光束”来抓取其中一个锗纳米棒。来自光束的能量也会使纳米棒过热，使铋帽熔化。然后将第二个纳米棒引导到“拖拉机光束”中，（多亏了末端的熔化铋帽）并将它们端对端焊接。然后，研究人员可以重复这个过程，直到组装出一个图案化的纳米线异质结构，其中重复的半导体，金属结比单个构件的长度长5到10倍。研究人员已经开始将这种面向光学的组装过程称为‘光子纳米焊接’，本质上是使用光在纳米尺度上将两个组件焊接在一起。

包含材料之间结点的纳米线，例如由UW团队合成的锗-铋结点，最终可能成为为量子计算应用创建拓扑量子位的一种途径。拖拉机光束实际上是一种高度聚焦的激光，它产生了一种光学陷阱，这是由阿瑟·阿什金在20世纪70年代首创而且获得诺贝尔奖的方法。到目前为止，光学陷阱几乎只用于基于水或真空的环境中。Pauzauskie和Holmberg团队将光学捕集技术应用于更易挥发的有机溶剂环境中。在任何类型的环境中产生稳定光阱都是一种微妙的力量平衡行为。

组成激光束的光子在紧邻光阱的物体上产生一种力，研究人员可以调整激光器的属性，以便产生的力可以捕获或释放物体，无论是单个锗纳米棒还是更长的纳米线。这是可靠、可重复纳米制造方法所需的精确度，而不会与其他表面或材料发生混乱的相互作用，从而将缺陷或应变引入纳米材料。研究人员认为，本纳米滚压方法可以用不同的材料集进行纳米级结构的附加制造，以用于其他应用。这一结果是研究人员使用光学捕获技术来操纵和组装更广泛的纳米材料，而不管这些材料是否恰好与水兼容。
博科园｜研究/来自：华盛顿大学
博科园｜科学、科技、科研、科普