纯金属纳米线森林：突破性生长技术与应用前景

在纳米科技的浪潮中，纯金属纳米线因其独特的一维结构和性能，展现出广泛的应用潜力。然而，大规模生长纳米线森林的难题一直困扰着科学家们。2024年8月8日，浙江大学机械工程学院的巨阳教授与名古屋大学微纳机械理工学系的Yasuhiro Kimura博士团队在《Science》期刊上发表了题为“Growth of metal nanowire forests controlled through stress fields induced by grain gradients”的研究论文，为这一难题提供了突破性的解决方案。

纳米线森林生长的挑战

纳米线森林的生长面临着蒸汽压力限制、化学还原问题等多重障碍。特别是对于纯金属纳米线，虽然20年前就有通过应力诱导迁移形成高密度金属氧化物纳米线森林的报道，但高密度纯金属纳米线森林的实现仍然是一个未解之谜。在气相中提供大量原料可以实现金属氧化物和半导体纳米线的生长，但固相原料的应力诱导工艺却难以达到高密度，限制了其在高性能纳米器件等领域的应用。

创新的应力场控制技术

巨阳教授和Yasuhiro Kimura博士团队的合作研究建立了一种聚焦离子束（FIB）辐照模板化应力诱导迁移方法，成功生长出具有空前高密度的铝（Al）纳米线森林。这项技术通过FIB辐照诱导局部晶粒粗化，增强了应力场产生的驱动力，并在退火过程中形成纳米线生长的核。这些效应共同推动了原子迁移，实现了Al纳米线森林的大规模生长。

高密度纳米线森林的实现

通过这种创新方法，研究团队成功生长出了比以往报道高出10到100倍密度的Al纳米线森林。这种高密度的纳米线森林不仅在形态上具有高度的一致性和有序性，而且在性能上展现出了优异的电学和热学特性。这些特性使得它们在气体传感器、生物标记和光电元件等领域具有巨大的应用潜力。

纳米线森林的应用前景

高密度垂直生长的单晶Al纳米线森林可以广泛应用于各种高性能纳米器件。例如，在气体传感器中，它们可以提供高效的气体分子吸附和传输通道；在生物标记中，它们可以作为高效的信号放大器；在光电元件中，它们可以作为优异的光电转换材料。此外，这种纳米线森林的生长技术还可以推广到其他金属和合金系统，进一步扩展其应用范围。

巨阳教授和Yasuhiro Kimura博士团队的这项研究通过精确控制应力场和晶粒粗化，成功克服了大规模生产高度有序单晶金属纳米线的难题。这项技术的进一步发展和优化，有望为纳米科技领域带来更广泛的应用和更深远的影响。随着纳米线森林的大规模生产和应用，我们将能够见证纳米科技在医疗、能源、环境和信息技术等多个领域的革命性进步。