基于轻的“拖拉机梁”精确组装纳米级结构

聚焦激光产生光学“拖拉机梁”，其可以在有机溶剂溶液中用金属尖端（蓝色）操纵和定向半导体纳米棒（红色）。来自激光的能量过热捕获纳米棒的金属尖端，允许对准的纳米棒在基于溶液的“纳米焊接”过程中焊接在一起的端到端。

现代建筑是一种精确的努力。建筑商必须使用制造的组件满足特定标准 - 例如特定尺寸的所需组合物或铆钉的梁。建筑业依靠制造商可靠地创建这些组件，以构建安全的桥梁和声音摩天大楼。

现在想象施工以较小的刻度 - 小于1/100的纸张的厚度。这是纳米级。它是科学家在量子计算等领域开发潜在的开创性技术的规模。它也是一种规模，传统的制造方法无法工作。我们的标准工具甚至小型化，太笨重，太腐蚀性，无法在纳米级可重复制造组件。

华盛顿大学的研究人员开发了一种可以在可能的纳米级可重复制造的方法。该团队适应了一种基于光的技术，广泛用于生物疏水阀或光学镊子 - 在无水液体环境中运行富含碳的有机溶剂，从而实现了新的潜在应用。

随着在2019年10月30日发布的纸质的报告中，在自然通信期刊中，光学镊子用作基于光的“拖拉机梁”，可以精确地组装纳米级半导体材料。与抓住宇宙飞船的科学小说的拖拉机束不同，该团队采用光学镊子来捕获比米短的近10亿次的材料。

“这是一个新的纳米级制造方法，”Muvicular Compentry Instituts，纳米工程研究所和纳米工程研究所和高级学院材料科学与工程副教授太平洋西北国家实验室的科学家。“制造过程中没有涉及的腔室表面，这最小化了应变或其他缺陷的形成。所有组分都悬浮在溶液中，我们可以控制纳米结构的尺寸和形状，因为它通过块组装成碎片。“

“在有机溶剂中使用这种技术使我们能够与水或空运联系，否则将与水或空气接触的组件一起使用，”化学工程和师资料教授在清洁能源中的UW助理教授研究所与分子工程与科学研究所。“有机溶剂还帮助我们超热我们使用的材料，使我们能够控制材料转换和驱动化学。”

为了证明这种方法的潜力，研究人员使用光学镊子来构建新的纳米线异质结构，其是由不同材料组成的不同部分组成的纳米线。纳米线异质结构的原料是较短的结晶锗的“纳米棒”，每个距离长度和数十纳米的直径为几百纳米 - 或比人发薄的约5,000倍。每个都用金属铋纳米晶体覆盖。

然后，研究人员使用了基于光的“拖拉机梁”来抓住其中一个锗纳米棒。来自光束的能量也过热了纳米棒，熔化铋帽。然后，它们将第二纳米棒引导到“拖拉机梁”中，并且 - 由于端到端焊接它们的熔融铋盖。然后，研究人员可以重复该过程，直到它们组装了图案化的纳米线异质结构，重复半导体 - 金属结比比近30倍的半导体 - 金属连接倍数长。

“我们采取了将这种光学定向的装配过程”光子纳米焊接“ - 基本上焊接两个部件在纳米级使用光线，”Holmberg说。

包含材料之间的连接的纳米线 - 例如由UW团队合成的锗 - 铋连接点 - 最终可能是为在量子计算中创建拓扑Qubits的路线。

拖拉机梁实际上是一种高度聚焦的激光器，它产生了一种光学陷阱，是在20世纪70年代在亚瑟·什·什皮金开创的诺贝尔奖获奖方法。迄今为止，光学陷阱几乎完全用于基于水或真空的环境。Pauzauskie和Holmberg的团队适应了光学陷阱，可以在有机溶剂的更挥发性环境中工作。

“在任何类型的环境中产生稳定的光学陷阱是一种微妙的平衡力量，我们很幸运能够拥有两个非常有才华的研究生在这个项目上工作，”Holmberg说。

构成激光束的光子在光学阱的立即附近产生对象的力。研究人员可以调节激光的性质，以便产生的力可以捕获或释放物体，这是单个锗纳米棒或较长的纳米线。

“这是可靠，可重复的纳米制备方法所需的精度，而无需混沌相互作用，其与其他表面或物料可以将缺陷或菌株引入纳米材料，”Pauzauskie说。

研究人员认为，它们的纳米焊接方法可以使纳米级结构的添加剂制造具有不同的用于其他应用的不同材料。

“我们希望这一示范导致使用光学诱捕的研究人员，用于操纵和组装更广泛的纳米级材料，无论这些材料是否恰信都与水相容，”Holmberg说。

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参考：“通过光子纳米升离的有机溶剂光学纳米级金属半导体异质结构的光学纳米升降机”的“光学纳米升降机”“通过Matthew J. Crane，E. James Davis，Vincent C. Holmberg和Peter J.Pauzauskie，2019年10月30日，自然通信。 DOI：
10.1038 / S41467-019-12827-W

本文联合主导作者是Elena Pandres，化学工程的UW研究生，以及Matthew Crane，UW化学系的UW博士毕业生和现行博士后研究员。联合作用者是E.詹姆斯戴维斯，是化学工程的UW教授。该研究由国家科学基金会，UW分子工程材料中心，UW分子工程学研究所，UW清洁能源研究所，华盛顿州的UW清洁能源研究所，华盛顿研究基金会及气势科研办公室。