▲在原子层面上无缝地“缝合”两块晶体示意图。
据《科学》杂志近日刊登的一篇研究论文称，美国康奈尔大学和芝加哥大学的科学家们发明了一种可以在原子层面上无缝地“缝合”两块晶体的新技术，从而制造出厚度只有几个原子直径宽的织物材料。
在材料物理学领域中，把不同种类的材料融合在一起有时可以带来各种让人意想不到的新突破，而正是这一项核心的研究技能，促使人类制造出从摩天大楼（用钢筋来加固混凝土）到太阳能电池（用多层材料来聚集电子）等各种各样的科技新事物。而在电子学中，不同的材料连接时生成的异质结是太阳能蓄电池、LED灯和电脑芯片中最基本的电子元件。两种材料之间的接缝越光滑，电子就越容易流过，这对于电子设备的正常运作至关重要。然而，这一技术的难题是，由于材料是由晶体——原子的刚性晶格——构成的，所以把它们连接混合在一起不是一件简单的任务。
芝加哥大学化学教授、该研究报告的资深作者Jiwoong Park所领导的研究小组通过拼接三种不同的、仅有三个原子直径厚度的织物形态的晶体实现了这一目标。
“通常这些材料都是于不同的形成阶段在迥异的环境下‘生长’出来的，我们的办法是先在一种条件下‘培养’一种物质，一段时间后让它停止‘生长’，然后通过改变环境条件开始‘种植’另一种物质。”Park介绍道。研究人员称，他们用该手段生成的单层物质是有史以来缝合衔接程度最完美的织物材料，其更为紧密平滑的过渡缝合线意味着两块晶格的吻合是通过一块晶格的拉伸或延展来衔接另一个晶格而实现的，从而避免了在缝合线处留下孔洞或其他缺陷。
“如果你把物质材料看作是两种不同类型、具有不同织物经纬密度的面料，把每一行原子看作是一根线，而我们所做的事就是试图让每根线彼此相连，不留下一个松散未连的线头。”康奈尔大学应用物理学和工程物理学教授大卫·A.穆勒（David A.Muller）说，他还是康奈尔大学卡弗里纳米科学研究所的的联席主任和该研究论文的资深作者。“通过使用一种新型的电子探测器——本质上是一台超高速、超灵敏的相机，我们成功地在原子尺度上测量了该材料在缝合部位的拉伸程度，这样我们就可以观测整张材料的衔接紧密程度，而且所能达到的精度小于原子间距的0.03%。”
这一发现为未来的电子产品带来了一些有趣的创意和方向。目前如LED灯的设备采用的都是3D与2D相叠加的多层结构，而且其底层通常都是刚性表面。然而，通过这一新技术可以允许LED灯具有新的结构配置，比如具有柔性发光二极管或者仅有原子厚度、可以水平横向传导的二维电路。
Park还指出，由于量子力学效应的作用，该晶体的颜色还会随着拉伸和压缩而变化。这意味着，它不仅有作为光传感器和变色LED灯的潜在用途，而且还能作为在拉伸时会改变颜色的应变传感面料。
“我们还不能完全预知这一发现所有的潜在用途。而即使是在仅仅两年之前，这都是无法想象的。”Park说。
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编译：朱明逸 审稿：阿淼 编辑：张梦
来源：https://phys.org/news/2018-03-atomic-lattices-seamlessly.html
