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利用光学技术在纳米尺度上组装新材料

2019-11-12 文章来源:实验帮译 阅读原文

如今的建筑往往都是一项精密的工作。建筑商必须使用为满足特定标准而造的部件,如所需成分的梁或特定尺寸的铆钉。建筑业依靠造商可靠地、可重地造这些部件,以建造安全的桥梁和健全的摩天大楼。 

现在想象一下,在小于一张纸厚度的1/100的较小比例下建造。这是纳米级的。这是科学家们在量子计算等领域开发潜在突破性技术的规模这也是一个规模,传统的造方法根本无法工作我们的标准工具,即使是小型化的,也太笨重和腐蚀性太强,无法在纳米尺度上重造组件。 

华盛顿大学的研究人员已经开发出一种方法,可以使纳米级的可重造成为可能。研究小组采用了一种在生物学中广泛应用的光技术,即光阱或光镊,以在富含碳的有机溶剂的无水液体环境中工作,从而实现了新的潜在应用。 

正如研究小组在10月30日发表在《自然通信Nature Communications》杂志上的一篇论文中所报道的那样,光镊可以作为一种基于光的“牵引光束”,将纳米半导体材料精确组装成更大的结构。与科幻小说中捕捉太空船的牵引光束不同,研究小组使用光镊捕捉比一米短近10亿倍的物质。 

 

上图所示聚焦激光产生一种光学“牵引光束”,它可以在有机溶剂溶液中操纵和定向带有金属尖端(蓝色)的半导体纳米棒(红色)。激光产生的能量使被捕获的纳米棒的金属尖端过热,从而使排列好的纳米棒在基于溶液的“纳米焊”过程中端到端焊在一起。

 

“这是纳米造的一种新方法,”联合资深作者、华盛顿大学材料科学与工程副教授、分子工程与科学研究所和纳米工程系统研究所的教员、太平洋西北国家实验室的资深科学家Peter Pauzauskie说,“在造过程中不涉及腔体表面,这将使应变或其他缺陷的形成最小化所有的组分都悬浮在溶液中,我们可以控纳米结构的大小和形状,因为它是一块一块组装起来的。” 

华盛顿大学化学工程助理教授、清洁能源研究所和分子工程与科学研究所教员Vincent Holmberg说:“在有机溶剂中使用这项技术,我们就可以处理与水或空气触时会降解或腐蚀的组分。有机溶剂还可以帮助我们对正在使用的材料进行过热处理,使我们能够控材料的转变并推动化学反应。” 

为了证这种方法的潜力,研究人员使用光镊构建了一种新型的纳米线异质结构,即由不同材料组成的不同截面的纳米线。纳米线异质结构的起始材料是较短的结晶锗“纳米棒”,每个纳米棒只有几百纳米长,直径数十纳米,大约是人类头发的5000倍薄每一个都被金属铋纳米晶体覆盖。 

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然后,研究人员用光为基础的“牵引光束”抓住其中一根锗纳米棒。来自光束的能量也会使纳米棒过热,熔化铋帽然后,他们将第二个纳米棒导入“牵引光束”中,多亏了末端熔融的铋帽,使其端对端焊。然后,研究人员可以重这个过程,直到他们组装出一个具有重半导体-金属连的图案化纳米线异质结构,其长度是单个构建块的5到10倍。 

Vincent Holmberg说:“我们把这种面向光学的组装过程称为‘光子纳米焊’,实质上是用光在纳米尺度上焊两个组件。” 

包含材料间连的纳米线,例如由华盛顿大学团队合成的锗铋连,最终可能是为量子计算应用创建拓扑量子位的途径。 

牵引光束实际上是一种高聚焦激光,它产生了一种光学陷阱,这是Arthur Ashkin在20世纪70年代首创的诺贝尔奖获得者方法。迄今为止,光学陷阱几乎只在水或真空环境中使用。Pauzauskie和Holmberg的研究小组采用了光学捕获技术,以在更易挥发的有机溶剂环境中工作。 

Holmberg说:“在任何环境中产生稳定的光学陷阱都是一种微妙的力量平衡行为,我们很幸运有两位非常有才华的研究生一起参与这个项目。” 

构成激光束的光子对光阱附近的物体产生力。研究人员可以调整激光的特性,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。 

Pauzauskie说:“这是可靠的、可重的纳米造方法所需要的精度,不需要与其他表面或材料发生混乱的相互作用,这些表面或材料可能会在纳米材料中引入缺陷或应变。” 

研究人员认为,他们的纳米焊方法可以使不同材料组的纳米结构的附加造用于其他应用。 

Holmberg说:“我们希望这一演示能让研究人员利用光阱来操纵和组装更广泛的纳米材料,而不管这些材料是否与水相容。”。 

原文来源:https://phys.org/news/2019-11-light-based-tractor-materials-nanoscale.html 

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