使纳米制造成为可能的新方法

华盛顿大学的研究人员已经开发出一种方法，可以在纳米尺度上实现可重复制造。该团队采用了一种广泛应用于生物学的光基技术——被称为光阱——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。

光镊就像一个基于光的“牵引光束”，可以精确地将纳米级半导体材料组装成更大的结构。与科幻小说中的牵引光束抓住宇宙飞船不同，该团队使用光学镊子捕获比一米短近10亿分之一的材料。

“这是纳米尺度制造的一种新方法，”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高级科学家Peter Pauzauskie说。“在制造过程中不涉及腔室表面，这最大限度地减少了应变或其他缺陷的形成。所有的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。”

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的教员文森特·霍姆伯格说:“在有机溶剂中使用这种技术，使我们能够处理那些与水或空气接触后会降解或腐蚀的成分。”“有机溶剂还可以帮助我们对正在处理的材料进行过热处理，使我们能够控制材料的转化并推动化学反应。”

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型纳米线异质结构，这是一种由不同材料组成的不同部分组成的纳米线。纳米线异质结构的初始材料是较短的晶体锗“纳米棒”，每个纳米棒只有几百纳米长，直径几十纳米，大约比人类头发细5000倍。每个都被金属铋纳米晶体覆盖。

然后，研究人员使用基于光的“牵引光束”捕获其中一个锗纳米棒。来自光束的能量也会使纳米棒过热，融化铋盖。然后，他们将第二个纳米棒引导到“牵引光束”中，并将它们端到端焊接起来——这要归功于末端熔融的铋盖。然后，研究人员可以重复这一过程，直到他们组装出具有重复半导体-金属结的图片化纳米线异质结构，其长度是单个构件的5到10倍。

Holmberg说:“我们已经开始将这种面向光学的组装过程称为‘光子纳米焊接’——本质上是利用光在纳米尺度上将两个组件焊接在一起。”

含有材料间结的纳米线——例如由华盛顿大学团队合成的锗铋结——可能最终成为创建拓扑量子比特用于量子计算应用的途径。

牵引光束实际上是一种高度聚焦的激光，可以产生一种光学陷阱，这是阿瑟·阿什金在20世纪70年代首创的诺贝尔奖得主方法。光阱几乎只在水或真空环境中使用。Pauzauskie和Holmberg的团队将光学捕获技术应用于更易挥发的有机溶剂环境中。

霍姆伯格说:“在任何类型的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，我们很幸运有两个非常有才华的研究生在这个项目上合作。”

构成激光束的光子对光阱附近的物体产生了一种力。研究人员可以调整激光的特性，使其产生的力可以捕获或释放一个物体，无论是单个锗纳米棒还是更长的纳米线。

“这是一种可靠的、可重复的纳米制造方法所需要的精度，没有与其他表面或材料的混乱相互作用，会给纳米材料带来缺陷或应变，”Pauzauskie说。

研究人员认为，他们的纳米焊接方法可以用不同的材料组实现纳米级结构的增材制造，用于其他应用。

Holmberg说:“我们希望这一演示能促使研究人员使用光学捕获技术来操作和组装更广泛的纳米级材料，而不管这些材料是否恰好与水兼容。”

华盛顿大学

www.washington.edu

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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