新工艺使科学家们能够在纳米尺度上铸造金属

纳米尺度模塑金属

用热机械成型制成的银纳米棒,大小从(从左到右)0.57毫米、10微米、375纳米和36纳米不等。(Jan带来实验室)

从太阳能到微电子学,许多金属和合金都是特定纳米尺度应用的理想材料,但将金属精确地铸造成如此微小的形状已被证明具有挑战性。不过,研究人员已经开发出一种工艺,允许制造商基本上塑造任何金属和合金甚至复制最小的细节。

Jan Schroers,耶鲁机械工程与材料科学教授的实验室,以及中国武汉大学教授的Ze Liu开发了一种方法,它们称之为热机械纳米多型,使它们能够将结晶金属塑造成直径小的形状。研究人员表示,突破可能导致传感器,电池,催化,生物材料和量子材料等领域的新技术。结果是1月22日出版的物理审查信。

“这真的是一种纳米制造的新方式,”施罗德说。“今天的纳米制造依赖于几种材料,这些材料可以为特定的材料专门制造。但我们的发现为所有金属和合金提供了一种技术:它允许我们以可预测和精确的方式制造元素周期表中的每种金属及其组合,达到纳米尺寸的特征。”

研究人员说,成型结晶金属,包括大多数固态金属,通常对制造商构成挑战。一种材料的可塑性取决于它的“流动性”,即在特定条件下它的流动性。热塑性塑料、凝胶和玻璃的流动性很高,但大多数金属在固态时太硬,液态时又太流动,无法用传统技术在纳米尺度上进行铸造。

但是,通过应用原子扩散,其中压力变化运输原子,研究小组发现,它们不仅可以有效地塑造晶体金属,而且降低模具的尺寸实际上更容易实现了过程。结果,它们能够在大约10纳米的直径上产生非常长的特征 - 比人发的8,000倍 - 以前是不可能的。

研究人员说,因为扩散机制存在于所有的金属和合金中,理论上这个过程可以广泛应用。为了测试广泛的应用,研究人员试着铸造金、镍、钒、铁和许多合金。在每一种情况下,他们都可以很容易地制造出非常小的纳米棒。

出版:刘泽等,“金属纳米成型:越小越容易”,物理评论快报,2019;doi: 10.1103 / PhysRevLett.122.036101

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