斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们发现了一种利用金刚烷(最小的钻石结构)的方法,将原子组装成极薄的电线,只有三个原子宽。通过选取不同类型的原子并将它们组合在一起,就像搭建乐高积木一样。

“我们所展示的技术是,我们能够制造出尺寸最小的电线,而且最重要的是它能够自主装,” 斯坦福大学博士研究员,论文的第一作者Hao Yan说。“这个过程很简单,一锅法合成。你把所有的成分混在一起,半个小时你就得到了满意的结果。就好像金刚烷知道它们应该去哪里一样。”

越小越好

虽然还有其它途径能够获得自主装材料,但这项技术首次证实了,可以用一种固体,具有良好电子性能的晶核来制造纳米电线,研究的合作者Nicholas Melosh说,他是SLAC和斯坦福的副教授,也是斯坦福材料和能源科学研究院的调查员。

这种针状线具有半导体核心——铜和硫的混合物(硫族化物),这个核心被附着的金刚烷包围,构成它的绝缘外壳。

它们的小尺寸非常重要,Melosh说,由于这是一维或二维纳米材料(作为原子尺寸的点、线或面),与批量制造的相同材料相比具有非凡的特性。这种新方法能够让研究人员以原子紧靠原子的精度和控制方式组装这些材料。

组装工具金刚烷是纳米级的,是碳和氢互锁网。金刚烷存在于石油中,在SLAC实验室,根据不同的大小和形状它们被提取和分离出来。在过去的十几年里,Melosh领导的SIMES研究项目和SLAC/斯坦福教授Zhi-Xun Shen发现了这种微小钻石的潜在用途,包括改善电子显微镜的图像,制造微型电子产品。

超强吸引力

在这项研究中,研究团队利用了金刚烷彼此间强烈的吸引力,通过范德华力。(这种力使只有在显微镜下可见的金刚烷能够聚集在一起形成糖状的晶体。)

一开始是最小的金刚烷(只包含10个碳原子,每个碳原子上附着一个硫原子的单个笼)。一旦置于溶液中,每一个硫原子都会和单一铜离子结合。这就形成了纳米电线的构造模块。

然后这个模块,受到金刚烷之间范德华力的驱动,彼此吸引在一起,纳米电线的长度不断增长,形成电线的末端。

“就像乐高积木一样,它们是以尺寸和形成组合在一起的,”斯坦福大学毕业生Fei Hua Li说,在合成纳米电线,了解它们的组装过程方面她起着关键作用。“每个模块中的铜和硫原子紧密地处于中间位置,形成了电线的导电芯,金刚烷在外层形成绝缘壳。”

该团队已经利用金刚烷制造了一维纳米电线,采用镉、锌、铁、银等材料,其中一些已经足够长,无需显微镜就可以看到,它们已经进行试验,了解纳米电线在不同溶液中的反应,以及不同类型的刚性分子,笼状分子,如碳硼烷。

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