現代建築是一種精準的努力，建造者必須使用滿足特定標準的構件，例如所需組成的梁或特定尺寸的鉚釘。建築行業依賴製造商來可靠和可重複地製造這些組件，以便建造安全的橋樑和堅固的摩天大樓。現在想象一下在更小的納米尺度規模下建造，小於一張紙1/100的厚度。這是科學家在量子計算等領域開發潛在突破性技術的尺度規模，這也是一個傳統制造方法根本不起作用的尺度。標準工具，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製造組件。
華盛頓大學的研究人員開發了一種方法，可以使納米級的可再生製造成為可能。該小組採用了一種在生物學中廣泛使用基於光的技術（稱為光阱或光鑷）在富碳有機溶劑的無水液體環境中操作，從而實現了新的潛在應用。正如該團隊發表在《自然通訊》期刊上的研究那樣，光鑷充當了一種基於光的“牽引束”，可以將納米級半導體材料精確地組裝成更大的結構。與科幻小說中抓住宇宙飛船的拖拉機光束不同，該團隊使用光鑷捕獲比一米短近十億倍的材料。
威斯康星大學材料科學和工程學副教授，分子工程與科學研究所和納米工程系統研究所的教員，以及太平洋西北國家實驗室的高級科學家，該研究的聯合資深作者Peter Pauzauskie說：這是一種新的納米制造方法。製造過程中沒有腔體表面，這最大限度地減少了應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構的大小和形狀，因為它是一塊一塊組裝的。威斯康星大學化學工程助理教授，也是清潔能源研究所和分子工程與科學研究所的教員，該研究的共同資深作者文森特·霍姆伯格說：
在有機溶劑中使用這項技術可以讓我們處理那些在與水或空氣接觸時會降解或腐蝕的成分。有機溶劑還有助於對正在使用的材料進行過熱，使我們能夠控制材料轉化並驅動化學。為了證明這種方法的潛力，研究人員使用光鑷構建了一種新的納米線異質結構，這是一種由不同材料組成不同部分組成的納米線。納米線異質結構的起始材料是較短的晶體鍺“納米棒”，每根只有幾百納米長，幾十納米直徑，大約比人類頭髮細5000倍，每一個都用金屬鉍納米晶體覆蓋。
然後，研究人員使用基於光的“拖拉機光束”來抓取其中一個鍺納米棒。來自光束的能量也會使納米棒過熱，使鉍帽熔化。然後將第二個納米棒引導到“拖拉機光束”中，（多虧了末端的熔化鉍帽）並將它們端對端焊接。然後，研究人員可以重複這個過程，直到組裝出一個圖案化的納米線異質結構，其中重複的半導體，金屬結比單個構件的長度長5到10倍。研究人員已經開始將這種面向光學的組裝過程稱為‘光子納米焊接’，本質上是使用光在納米尺度上將兩個組件焊接在一起。
包含材料之間結點的納米線，例如由UW團隊合成的鍺-鉍結點，最終可能成為為量子計算應用創建拓撲量子位的一種途徑。拖拉機光束實際上是一種高度聚焦的激光，它產生了一種光學陷阱，這是由阿瑟·阿什金在20世紀70年代首創而且獲得諾貝爾獎的方法。到目前為止，光學陷阱幾乎只用於基於水或真空的環境中。Pauzauskie和Holmberg團隊將光學捕集技術應用於更易揮發的有機溶劑環境中。在任何類型的環境中產生穩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生一種力，研究人員可以調整激光器的屬性，以便產生的力可以捕獲或釋放物體，無論是單個鍺納米棒還是更長的納米線。這是可靠、可重複納米制造方法所需的精確度，而不會與其他表面或材料發生混亂的相互作用，從而將缺陷或應變引入納米材料。研究人員認為，本納米滾壓方法可以用不同的材料集進行納米級結構的附加製造，以用於其他應用。這一結果是研究人員使用光學捕獲技術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
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-019-12827-w
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