現(xiàn)代建筑是一種精準(zhǔn)的努力，建造者必須使用滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件，例如所需組成的梁或特定尺寸的鉚釘。建筑行業(yè)依賴制造商來可靠和可重復(fù)地制造這些組件，以便建造安全的橋梁和堅(jiān)固的摩天大樓。

現(xiàn)在想象一下在更小的納米尺度規(guī)模下建造，小于一張紙1/100的厚度。這是科學(xué)家在量子計(jì)算等領(lǐng)域開發(fā)潛在突破性技術(shù)的尺度規(guī)模，這也是一個(gè)傳統(tǒng)制造方法根本不起作用的尺度。標(biāo)準(zhǔn)工具，即使是小型化的，也太笨重，太有腐蝕性，不能在納米尺度下可再生地制造組件。

華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種方法，可以使納米級(jí)的可再生制造成為可能。該小組采用了一種在生物學(xué)中廣泛使用基于光的技術(shù)（稱為光阱或光鑷）在富碳有機(jī)溶劑的無水液體環(huán)境中操作，從而實(shí)現(xiàn)了新的潛在應(yīng)用。正如該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然通訊》期刊上的研究那樣，光鑷充當(dāng)了一種基于光的“牽引束”，可以將納米級(jí)半導(dǎo)體材料精確地組裝成更大的結(jié)構(gòu)。與科幻小說中抓住宇宙飛船的拖拉機(jī)光束不同，該團(tuán)隊(duì)使用光鑷捕獲比一米短近十億倍的材料。

威斯康星大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)副教授，分子工程與科學(xué)研究所和納米工程系統(tǒng)研究所的教員，以及太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)科學(xué)家，該研究的聯(lián)合資深作者Peter Pauzauskie說：這是一種新的納米制造方法。制造過程中沒有腔體表面，這最大限度地減少了應(yīng)變或其他缺陷的形成。所有組件都懸浮在溶液中，我們可以控制納米結(jié)構(gòu)的大小和形狀，因?yàn)樗且粔K一塊組裝的。威斯康星大學(xué)化學(xué)工程助理教授，也是清潔能源研究所和分子工程與科學(xué)研究所的教員，該研究的共同資深作者文森特·霍姆伯格說：

在有機(jī)溶劑中使用這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們處理那些在與水或空氣接觸時(shí)會(huì)降解或腐蝕的成分。有機(jī)溶劑還有助于對(duì)正在使用的材料進(jìn)行過熱，使我們能夠控制材料轉(zhuǎn)化并驅(qū)動(dòng)化學(xué)。為了證明這種方法的潛力，研究人員使用光鑷構(gòu)建了一種新的納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這是一種由不同材料組成不同部分組成的納米線。納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的起始材料是較短的晶體鍺“納米棒”，每根只有幾百納米長(zhǎng)，幾十納米直徑，大約比人類頭發(fā)細(xì)5000倍，每一個(gè)都用金屬鉍納米晶體覆蓋。

然后，研究人員使用基于光的“拖拉機(jī)光束”來抓取其中一個(gè)鍺納米棒。來自光束的能量也會(huì)使納米棒過熱，使鉍帽熔化。然后將第二個(gè)納米棒引導(dǎo)到“拖拉機(jī)光束”中，（多虧了末端的熔化鉍帽）并將它們端對(duì)端焊接。然后，研究人員可以重復(fù)這個(gè)過程，直到組裝出一個(gè)圖案化的納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中重復(fù)的半導(dǎo)體，金屬結(jié)比單個(gè)構(gòu)件的長(zhǎng)度長(zhǎng)5到10倍。研究人員已經(jīng)開始將這種面向光學(xué)的組裝過程稱為‘光子納米焊接’，本質(zhì)上是使用光在納米尺度上將兩個(gè)組件焊接在一起。

包含材料之間結(jié)點(diǎn)的納米線，例如由UW團(tuán)隊(duì)合成的鍺-鉍結(jié)點(diǎn)，最終可能成為為量子計(jì)算應(yīng)用創(chuàng)建拓?fù)淞孔游坏囊环N途徑。拖拉機(jī)光束實(shí)際上是一種高度聚焦的激光，它產(chǎn)生了一種光學(xué)陷阱，這是由阿瑟·阿什金在20世紀(jì)70年代首創(chuàng)而且獲得諾貝爾獎(jiǎng)的方法。到目前為止，光學(xué)陷阱幾乎只用于基于水或真空的環(huán)境中。Pauzauskie和Holmberg團(tuán)隊(duì)將光學(xué)捕集技術(shù)應(yīng)用于更易揮發(fā)的有機(jī)溶劑環(huán)境中。在任何類型的環(huán)境中產(chǎn)生穩(wěn)定光阱都是一種微妙的力量平衡行為。

組成激光束的光子在緊鄰光阱的物體上產(chǎn)生一種力，研究人員可以調(diào)整激光器的屬性，以便產(chǎn)生的力可以捕獲或釋放物體，無論是單個(gè)鍺納米棒還是更長(zhǎng)的納米線。這是可靠、可重復(fù)納米制造方法所需的精確度，而不會(huì)與其他表面或材料發(fā)生混亂的相互作用，從而將缺陷或應(yīng)變引入納米材料。研究人員認(rèn)為，本納米滾壓方法可以用不同的材料集進(jìn)行納米級(jí)結(jié)構(gòu)的附加制造，以用于其他應(yīng)用。這一結(jié)果是研究人員使用光學(xué)捕獲技術(shù)來操縱和組裝更廣泛的納米材料，而不管這些材料是否恰好與水兼容。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-12827-w

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