近日，洛桑联邦理工学院（EPFL）的的 NCCR MARVEL 研究人员利用计算工具寻找可从已知三维晶体中剥离的新型一维材料，其中包括迄今为止发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。
洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用计算方法研究了78万多种晶体的结构特性，确定了潜在的单维纳米材料，包括可能是最细的金属丝。他们的发现聚焦了14种在电子学和量子研究中具有潜在用途的材料。
肉眼不可见的纳米细丝
纳米本质上是一种长度单位，1纳米就等于0.001微米，而通常所说的纳米尺度指的就是1纳米到100纳米之间的尺寸。显然，纳米尺度下的物质已经小到了肉眼不可见的程度，所以大多数人对于纳米的最直观印象就是小，但科学家研究纳米可并不是因为纳米小，而是因为纳米效应。
什么是纳米效应呢？简单来讲就是在纳米尺度下，物质会表现出不同于宏观尺度下的特性。比如在宏观尺度下非常容易扯断的细丝，一旦细到了纳米尺度，反而变得异常坚硬。为什么会这样呢？我们知道，所有的物质都是由原子或分子组成的，那么一个个独立的原子为什么能够聚合在一起形成宏观物质呢？依靠的是一种原子间的作用力，这种作用力就被称之为化学键。化学键本质上是一种电磁力，它有几种不同的常见形式，即共价键、离子键和金属键。
我们所熟悉的金刚石就是碳原子通过共价键的形式结合而成的，这样的物质通常缺乏弹性和延展性，一旦原子因强大的外力作用而离开原有的位置，便会断裂破碎。当两种原子结合在一起时，电子总是倾向于待在一个原子核周围而疏远另一个原子核，这种情况就被称之为离子键，比如生石灰就是一种离子键物质。
当这种物质因强大的外力而使原子核离开原有的位置时，弥散在原子核周围的电子依然能够提供足够的电磁力，所以物质不会断裂破损，这就是为什么金属物质可以被改变形状的原因了。一种物质的性质是由组成它的原子和原子之间的结合方式共同决定的，但是在一种物质中，存在着两类不同的原子，物质内部原子和物质表层原子。
当物质小到纳米尺度时，情况就变得不一样了，表层原子的比重将会变得非常高，甚至所有的原子可能都是表层原子，于是物质的性质也就变得不同。以纳米细丝为例，因化学键结合而成的原子是非常坚固的，很难被扯断，在宏观状态下，细线之所以容易被拉断，是因为细线上不可避免的会存在缺陷，而在拉扯时，作用力会集中在这些缺陷上而导致细线断裂。然而在纳米尺度下，缺陷不存在了，强度自然也就大幅增强了。
发现世界上最细的金属线
研究人员利用计算工具寻找可以从已知三维晶体中剥离出来的新型一维材料。在一份包含 78 万多种晶体的初始清单中，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料--这些化合物尚未合成为真正的金属丝，但模拟结果表明是可行的。其中包括金属丝CuC2，它是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。
洛桑联邦理工学院材料理论与模拟实验室的研究人员利用计算方法确定了可能是最细的金属丝，以及其他几种单维材料，这些材料的特性可能会被证明对许多应用领域很有意义。
单维（或一维）材料是纳米技术最引人入胜的产品之一，由原子排列成线或管状组成。它们的电学、磁学和光学特性使其成为从微电子学到生物传感器再到催化等各种应用的绝佳候选材料。虽然碳纳米管是迄今为止最受关注的材料，但事实证明它们非常难以制造和控制，因此科学家们迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同样有趣特性但更容易处理的纳米线和纳米管。
因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用计算机模拟来解析已知的三维晶体，根据它们的结构和电子特性，寻找那些看起来很容易"剥离"的晶体，从本质上剥离出稳定的一维结构。同样的方法过去曾成功用于研究二维材料，但这是首次应用于一维材料。
研究人员从文献中的各种数据库中收集了超过 78 万个晶体，这些晶体通过范德华力（原子距离足够近，电子重叠时产生的一种微弱相互作用）结合在一起。然后，他们采用一种算法，考虑原子的空间组织，寻找具有线状结构的原子，并计算出需要多少能量才能将这种一维结构从晶体的其他部分分离出来。
论文第一作者 Cignarella 说："我们一直在寻找金属丝，但这种金属丝应该很难找到，因为一维金属原则上应该不够稳定，无法进行剥离"。最终，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料--这些化合物尚未合成为真正的导线，但模拟结果表明是可行的。然后，他们开始更详细地计算这些材料的特性，以验证它们的稳定性如何，以及人们对它们的电子行为有何期待。
未来研究方向&多元作用
这个世界上最细的金属丝，看似微不足道，却蕴含着令人惊叹的作用和潜力。
在电子领域，它是不可或缺的关键元素。由于其极细的尺寸，能够在微小的空间内实现复杂的电路连接。在高度集成的电子设备中，如智能手机、电脑芯片等，最细金属丝可以穿梭于密密麻麻的电子元件之间，确保电流的稳定传输和信号的准确传递。它为电子设备的不断小型化和性能提升立下了汗马功劳，让我们能够享受到更加便捷和强大的科技产品。
在微纳技术领域，最细金属丝更是展现出独特的价值。微机电系统（MEMS）和纳米技术的发展离不开它。它可以被用来构建微小的机械结构、传感器和执行器。比如，在压力传感器中，最细金属丝能够敏锐地感知到极其微小的压力变化，并将其转化为电信号输出，实现对压力的精确测量。这种高灵敏度和精准度在许多领域都至关重要，如航空航天中对飞行器关键部件的监测，以及医疗领域对人体生理参数的检测等。
在医疗方面，最细金属丝也有着广泛的应用前景。它可以被制成极其精细的医疗器械，如微创手术中使用的工具。医生可以通过操控这些由最细金属丝制成的器械，在患者体内进行精准的手术操作，减少对周围组织的损伤，加快患者的康复速度。此外，在生物医学研究中，最细金属丝还可以用于构建细胞培养的支架，为细胞的生长和分化提供适宜的环境，推动再生医学的发展。
科研领域同样离不开最细金属丝。科学家们利用它来进行各种微观和纳米尺度的实验研究。例如，通过将最细金属丝与其他材料组合，可以构建出特殊的纳米结构，用于研究物质在纳米尺度下的特性和行为。它为科学家们打开了一扇通往微观世界的窗户，帮助我们更好地理解自然规律和物质本质。
最细金属丝还在光学领域有着一定的应用。它可以作为光波导的材料，实现光信号的传输和调控。在光通信、光存储等领域发挥着重要作用，为信息的高速传输和存储提供了新的途径。
发表在《ACS纳米》杂志上的这项研究中发现的其他有趣材料还包括半金属Sb2Te2，由于其性质，它可能允许研究50年前预测但从未观察到的奇异物质状态，称为激子绝缘体，这是量子现象在宏观尺度上可见的罕见情况之一。然后是Ag2Se2，另一种半金属，以及TaSe3，一种众所周知的化合物，是唯一一种在实验中作为纳米线被剥离的化合物，科学家们把它作为基准。
至于未来，Cignarella 解释说，研究小组希望与实验人员合作，实际合成这些材料，同时继续进行计算研究，了解它们如何传输电荷以及在不同温度下的表现。这两点对于了解它们在实际应用中的性能至关重要。
文章来源： cnBeta，知新了了，科学信仰
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551693.html
来源：贤集网
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