世界“最細”！基于銅和碳原子，科學家剝離出“單維”金屬納米線
核心提示：近日，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的的 NCCR MARVEL 研究人員利用計算工具尋找可從已知三維晶體中剝離的新型一維材料，其中包括迄
近日，洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的的 NCCR MARVEL 研究人員利用計算工具尋找可從已知三維晶體中剝離的新型一維材料，其中包括迄今為止發(fā)現(xiàn)的在 0 K 溫度下穩(wěn)定的最細金屬納米線。
洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員利用計算方法研究了78萬多種晶體的結(jié)構(gòu)特性，確定了潛在的單維納米材料，包括可能是最細的金屬絲。他們的發(fā)現(xiàn)聚焦了14種在電子學和量子研究中具有潛在用途的材料。
肉眼不可見的納米細絲
納米本質(zhì)上是一種長度單位，1納米就等于0.001微米，而通常所說的納米尺度指的就是1納米到100納米之間的尺寸。顯然，納米尺度下的物質(zhì)已經(jīng)小到了肉眼不可見的程度，所以大多數(shù)人對于納米的最直觀印象就是小，但科學家研究納米可并不是因為納米小，而是因為納米效應。
什么是納米效應呢？簡單來講就是在納米尺度下，物質(zhì)會表現(xiàn)出不同于宏觀尺度下的特性。比如在宏觀尺度下非常容易扯斷的細絲，一旦細到了納米尺度，反而變得異常堅硬。為什么會這樣呢？我們知道，所有的物質(zhì)都是由原子或分子組成的，那么一個個獨立的原子為什么能夠聚合在一起形成宏觀物質(zhì)呢？依靠的是一種原子間的作用力，這種作用力就被稱之為化學鍵。化學鍵本質(zhì)上是一種電磁力，它有幾種不同的常見形式，即共價鍵、離子鍵和金屬鍵。
我們所熟悉的金剛石就是碳原子通過共價鍵的形式結(jié)合而成的，這樣的物質(zhì)通常缺乏彈性和延展性，一旦原子因強大的外力作用而離開原有的位置，便會斷裂破碎。當兩種原子結(jié)合在一起時，電子總是傾向于待在一個原子核周圍而疏遠另一個原子核，這種情況就被稱之為離子鍵，比如生石灰就是一種離子鍵物質(zhì)。
當這種物質(zhì)因強大的外力而使原子核離開原有的位置時，彌散在原子核周圍的電子依然能夠提供足夠的電磁力，所以物質(zhì)不會斷裂破損，這就是為什么金屬物質(zhì)可以被改變形狀的原因了。一種物質(zhì)的性質(zhì)是由組成它的原子和原子之間的結(jié)合方式共同決定的，但是在一種物質(zhì)中，存在著兩類不同的原子，物質(zhì)內(nèi)部原子和物質(zhì)表層原子。
當物質(zhì)小到納米尺度時，情況就變得不一樣了，表層原子的比重將會變得非常高，甚至所有的原子可能都是表層原子，于是物質(zhì)的性質(zhì)也就變得不同。以納米細絲為例，因化學鍵結(jié)合而成的原子是非常堅固的，很難被扯斷，在宏觀狀態(tài)下，細線之所以容易被拉斷，是因為細線上不可避免的會存在缺陷，而在拉扯時，作用力會集中在這些缺陷上而導致細線斷裂。然而在納米尺度下，缺陷不存在了，強度自然也就大幅增強了。
發(fā)現(xiàn)世界上最細的金屬線
研究人員利用計算工具尋找可以從已知三維晶體中剝離出來的新型一維材料。在一份包含 78 萬多種晶體的初始清單中，他們得出了一份包含 800 種一維材料的清單，并從中選出了 14 種最佳候選材料--這些化合物尚未合成為真正的金屬絲，但模擬結(jié)果表明是可行的。其中包括金屬絲CuC2，它是由兩個碳原子和一個銅原子組成的直線鏈，是迄今發(fā)現(xiàn)的在 0 K 溫度下穩(wěn)定的最細金屬納米線。
洛桑聯(lián)邦理工學院材料理論與模擬實驗室的研究人員利用計算方法確定了可能是最細的金屬絲，以及其他幾種單維材料，這些材料的特性可能會被證明對許多應用領(lǐng)域很有意義。
單維（或一維）材料是納米技術(shù)最引人入勝的產(chǎn)品之一，由原子排列成線或管狀組成。它們的電學、磁學和光學特性使其成為從微電子學到生物傳感器再到催化等各種應用的絕佳候選材料。雖然碳納米管是迄今為止最受關(guān)注的材料，但事實證明它們非常難以制造和控制，因此科學家們迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同樣有趣特性但更容易處理的納米線和納米管。
因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用計算機模擬來解析已知的三維晶體，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)和電子特性，尋找那些看起來很容易"剝離"的晶體，從本質(zhì)上剝離出穩(wěn)定的一維結(jié)構(gòu)。同樣的方法過去曾成功用于研究二維材料，但這是首次應用于一維材料。
研究人員從文獻中的各種數(shù)據(jù)庫中收集了超過 78 萬個晶體，這些晶體通過范德華力（原子距離足夠近，電子重疊時產(chǎn)生的一種微弱相互作用）結(jié)合在一起。然后，他們采用一種算法，考慮原子的空間組織，尋找具有線狀結(jié)構(gòu)的原子，并計算出需要多少能量才能將這種一維結(jié)構(gòu)從晶體的其他部分分離出來。
論文第一作者 Cignarella 說："我們一直在尋找金屬絲，但這種金屬絲應該很難找到，因為一維金屬原則上應該不夠穩(wěn)定，無法進行剝離"。最終，他們得出了一份包含 800 種一維材料的清單，并從中選出了 14 種最佳候選材料--這些化合物尚未合成為真正的導線，但模擬結(jié)果表明是可行的。然后，他們開始更詳細地計算這些材料的特性，以驗證它們的穩(wěn)定性如何，以及人們對它們的電子行為有何期待。
未來研究方向&多元作用
這個世界上最細的金屬絲，看似微不足道，卻蘊含著令人驚嘆的作用和潛力。
在電子領(lǐng)域，它是不可或缺的關(guān)鍵元素。由于其極細的尺寸，能夠在微小的空間內(nèi)實現(xiàn)復雜的電路連接。在高度集成的電子設備中，如智能手機、電腦芯片等，最細金屬絲可以穿梭于密密麻麻的電子元件之間，確保電流的穩(wěn)定傳輸和信號的準確傳遞。它為電子設備的不斷小型化和性能提升立下了汗馬功勞，讓我們能夠享受到更加便捷和強大的科技產(chǎn)品。
在微納技術(shù)領(lǐng)域，最細金屬絲更是展現(xiàn)出獨特的價值。微機電系統(tǒng)（MEMS）和納米技術(shù)的發(fā)展離不開它。它可以被用來構(gòu)建微小的機械結(jié)構(gòu)、傳感器和執(zhí)行器。比如，在壓力傳感器中，最細金屬絲能夠敏銳地感知到極其微小的壓力變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，實現(xiàn)對壓力的精確測量。這種高靈敏度和精準度在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要，如航空航天中對飛行器關(guān)鍵部件的監(jiān)測，以及醫(yī)療領(lǐng)域?qū)θ梭w生理參數(shù)的檢測等。
在醫(yī)療方面，最細金屬絲也有著廣泛的應用前景。它可以被制成極其精細的醫(yī)療器械，如微創(chuàng)手術(shù)中使用的工具。醫(yī)生可以通過操控這些由最細金屬絲制成的器械，在患者體內(nèi)進行精準的手術(shù)操作，減少對周圍組織的損傷，加快患者的康復速度。此外，在生物醫(yī)學研究中，最細金屬絲還可以用于構(gòu)建細胞培養(yǎng)的支架，為細胞的生長和分化提供適宜的環(huán)境，推動再生醫(yī)學的發(fā)展。
科研領(lǐng)域同樣離不開最細金屬絲?？茖W家們利用它來進行各種微觀和納米尺度的實驗研究。例如，通過將最細金屬絲與其他材料組合，可以構(gòu)建出特殊的納米結(jié)構(gòu)，用于研究物質(zhì)在納米尺度下的特性和行為。它為科學家們打開了一扇通往微觀世界的窗戶，幫助我們更好地理解自然規(guī)律和物質(zhì)本質(zhì)。
最細金屬絲還在光學領(lǐng)域有著一定的應用。它可以作為光波導的材料，實現(xiàn)光信號的傳輸和調(diào)控。在光通信、光存儲等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為信息的高速傳輸和存儲提供了新的途徑。
發(fā)表在《ACS納米》雜志上的這項研究中發(fā)現(xiàn)的其他有趣材料還包括半金屬Sb2Te2，由于其性質(zhì)，它可能允許研究50年前預測但從未觀察到的奇異物質(zhì)狀態(tài)，稱為激子絕緣體，這是量子現(xiàn)象在宏觀尺度上可見的罕見情況之一。然后是Ag2Se2，另一種半金屬，以及TaSe3，一種眾所周知的化合物，是唯一一種在實驗中作為納米線被剝離的化合物，科學家們把它作為基準。
至于未來，Cignarella 解釋說，研究小組希望與實驗人員合作，實際合成這些材料，同時繼續(xù)進行計算研究，了解它們?nèi)绾蝹鬏旊姾梢约霸诓煌瑴囟认碌谋憩F(xiàn)。這兩點對于了解它們在實際應用中的性能至關(guān)重要。
文章來源： cnBeta，知新了了，科學信仰
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551693.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。
洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員利用計算方法研究了78萬多種晶體的結(jié)構(gòu)特性，確定了潛在的單維納米材料，包括可能是最細的金屬絲。他們的發(fā)現(xiàn)聚焦了14種在電子學和量子研究中具有潛在用途的材料。
肉眼不可見的納米細絲
納米本質(zhì)上是一種長度單位，1納米就等于0.001微米，而通常所說的納米尺度指的就是1納米到100納米之間的尺寸。顯然，納米尺度下的物質(zhì)已經(jīng)小到了肉眼不可見的程度，所以大多數(shù)人對于納米的最直觀印象就是小，但科學家研究納米可并不是因為納米小，而是因為納米效應。
什么是納米效應呢？簡單來講就是在納米尺度下，物質(zhì)會表現(xiàn)出不同于宏觀尺度下的特性。比如在宏觀尺度下非常容易扯斷的細絲，一旦細到了納米尺度，反而變得異常堅硬。為什么會這樣呢？我們知道，所有的物質(zhì)都是由原子或分子組成的，那么一個個獨立的原子為什么能夠聚合在一起形成宏觀物質(zhì)呢？依靠的是一種原子間的作用力，這種作用力就被稱之為化學鍵。化學鍵本質(zhì)上是一種電磁力，它有幾種不同的常見形式，即共價鍵、離子鍵和金屬鍵。
我們所熟悉的金剛石就是碳原子通過共價鍵的形式結(jié)合而成的，這樣的物質(zhì)通常缺乏彈性和延展性，一旦原子因強大的外力作用而離開原有的位置，便會斷裂破碎。當兩種原子結(jié)合在一起時，電子總是傾向于待在一個原子核周圍而疏遠另一個原子核，這種情況就被稱之為離子鍵，比如生石灰就是一種離子鍵物質(zhì)。
當這種物質(zhì)因強大的外力而使原子核離開原有的位置時，彌散在原子核周圍的電子依然能夠提供足夠的電磁力，所以物質(zhì)不會斷裂破損，這就是為什么金屬物質(zhì)可以被改變形狀的原因了。一種物質(zhì)的性質(zhì)是由組成它的原子和原子之間的結(jié)合方式共同決定的，但是在一種物質(zhì)中，存在著兩類不同的原子，物質(zhì)內(nèi)部原子和物質(zhì)表層原子。
當物質(zhì)小到納米尺度時，情況就變得不一樣了，表層原子的比重將會變得非常高，甚至所有的原子可能都是表層原子，于是物質(zhì)的性質(zhì)也就變得不同。以納米細絲為例，因化學鍵結(jié)合而成的原子是非常堅固的，很難被扯斷，在宏觀狀態(tài)下，細線之所以容易被拉斷，是因為細線上不可避免的會存在缺陷，而在拉扯時，作用力會集中在這些缺陷上而導致細線斷裂。然而在納米尺度下，缺陷不存在了，強度自然也就大幅增強了。
發(fā)現(xiàn)世界上最細的金屬線
研究人員利用計算工具尋找可以從已知三維晶體中剝離出來的新型一維材料。在一份包含 78 萬多種晶體的初始清單中，他們得出了一份包含 800 種一維材料的清單，并從中選出了 14 種最佳候選材料--這些化合物尚未合成為真正的金屬絲，但模擬結(jié)果表明是可行的。其中包括金屬絲CuC2，它是由兩個碳原子和一個銅原子組成的直線鏈，是迄今發(fā)現(xiàn)的在 0 K 溫度下穩(wěn)定的最細金屬納米線。
洛桑聯(lián)邦理工學院材料理論與模擬實驗室的研究人員利用計算方法確定了可能是最細的金屬絲，以及其他幾種單維材料，這些材料的特性可能會被證明對許多應用領(lǐng)域很有意義。
單維（或一維）材料是納米技術(shù)最引人入勝的產(chǎn)品之一，由原子排列成線或管狀組成。它們的電學、磁學和光學特性使其成為從微電子學到生物傳感器再到催化等各種應用的絕佳候選材料。雖然碳納米管是迄今為止最受關(guān)注的材料，但事實證明它們非常難以制造和控制，因此科學家們迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同樣有趣特性但更容易處理的納米線和納米管。
因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用計算機模擬來解析已知的三維晶體，根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)和電子特性，尋找那些看起來很容易"剝離"的晶體，從本質(zhì)上剝離出穩(wěn)定的一維結(jié)構(gòu)。同樣的方法過去曾成功用于研究二維材料，但這是首次應用于一維材料。
研究人員從文獻中的各種數(shù)據(jù)庫中收集了超過 78 萬個晶體，這些晶體通過范德華力（原子距離足夠近，電子重疊時產(chǎn)生的一種微弱相互作用）結(jié)合在一起。然后，他們采用一種算法，考慮原子的空間組織，尋找具有線狀結(jié)構(gòu)的原子，并計算出需要多少能量才能將這種一維結(jié)構(gòu)從晶體的其他部分分離出來。
論文第一作者 Cignarella 說："我們一直在尋找金屬絲，但這種金屬絲應該很難找到，因為一維金屬原則上應該不夠穩(wěn)定，無法進行剝離"。最終，他們得出了一份包含 800 種一維材料的清單，并從中選出了 14 種最佳候選材料--這些化合物尚未合成為真正的導線，但模擬結(jié)果表明是可行的。然后，他們開始更詳細地計算這些材料的特性，以驗證它們的穩(wěn)定性如何，以及人們對它們的電子行為有何期待。
未來研究方向&多元作用
這個世界上最細的金屬絲，看似微不足道，卻蘊含著令人驚嘆的作用和潛力。
在電子領(lǐng)域，它是不可或缺的關(guān)鍵元素。由于其極細的尺寸，能夠在微小的空間內(nèi)實現(xiàn)復雜的電路連接。在高度集成的電子設備中，如智能手機、電腦芯片等，最細金屬絲可以穿梭于密密麻麻的電子元件之間，確保電流的穩(wěn)定傳輸和信號的準確傳遞。它為電子設備的不斷小型化和性能提升立下了汗馬功勞，讓我們能夠享受到更加便捷和強大的科技產(chǎn)品。
在微納技術(shù)領(lǐng)域，最細金屬絲更是展現(xiàn)出獨特的價值。微機電系統(tǒng)（MEMS）和納米技術(shù)的發(fā)展離不開它。它可以被用來構(gòu)建微小的機械結(jié)構(gòu)、傳感器和執(zhí)行器。比如，在壓力傳感器中，最細金屬絲能夠敏銳地感知到極其微小的壓力變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，實現(xiàn)對壓力的精確測量。這種高靈敏度和精準度在許多領(lǐng)域都至關(guān)重要，如航空航天中對飛行器關(guān)鍵部件的監(jiān)測，以及醫(yī)療領(lǐng)域?qū)θ梭w生理參數(shù)的檢測等。
在醫(yī)療方面，最細金屬絲也有著廣泛的應用前景。它可以被制成極其精細的醫(yī)療器械，如微創(chuàng)手術(shù)中使用的工具。醫(yī)生可以通過操控這些由最細金屬絲制成的器械，在患者體內(nèi)進行精準的手術(shù)操作，減少對周圍組織的損傷，加快患者的康復速度。此外，在生物醫(yī)學研究中，最細金屬絲還可以用于構(gòu)建細胞培養(yǎng)的支架，為細胞的生長和分化提供適宜的環(huán)境，推動再生醫(yī)學的發(fā)展。
科研領(lǐng)域同樣離不開最細金屬絲?？茖W家們利用它來進行各種微觀和納米尺度的實驗研究。例如，通過將最細金屬絲與其他材料組合，可以構(gòu)建出特殊的納米結(jié)構(gòu)，用于研究物質(zhì)在納米尺度下的特性和行為。它為科學家們打開了一扇通往微觀世界的窗戶，幫助我們更好地理解自然規(guī)律和物質(zhì)本質(zhì)。
最細金屬絲還在光學領(lǐng)域有著一定的應用。它可以作為光波導的材料，實現(xiàn)光信號的傳輸和調(diào)控。在光通信、光存儲等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為信息的高速傳輸和存儲提供了新的途徑。
發(fā)表在《ACS納米》雜志上的這項研究中發(fā)現(xiàn)的其他有趣材料還包括半金屬Sb2Te2，由于其性質(zhì)，它可能允許研究50年前預測但從未觀察到的奇異物質(zhì)狀態(tài)，稱為激子絕緣體，這是量子現(xiàn)象在宏觀尺度上可見的罕見情況之一。然后是Ag2Se2，另一種半金屬，以及TaSe3，一種眾所周知的化合物，是唯一一種在實驗中作為納米線被剝離的化合物，科學家們把它作為基準。
至于未來，Cignarella 解釋說，研究小組希望與實驗人員合作，實際合成這些材料，同時繼續(xù)進行計算研究，了解它們?nèi)绾蝹鬏旊姾梢约霸诓煌瑴囟认碌谋憩F(xiàn)。這兩點對于了解它們在實際應用中的性能至關(guān)重要。
文章來源： cnBeta，知新了了，科學信仰
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551693.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。
更多>同類橡機資訊