科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属线

现在，研究人员正在利用计算工具寻找新的一维材料，这些材料可以从已知的三维晶体中剥离出来，包括迄今为止发现的在0 K下稳定的最薄的金属纳米线。

EPFL的研究人员利用计算工具寻找新的一维材料，这些材料可以从已知的三维晶体中剥离出来。从最初的78万多颗晶体中，他们列出了800种一维材料，从中他们选择了14种最佳候选材料 —— 这些化合物还没有被合成成实际的电线，但模拟表明是可行的。其中，金属线CuC2是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今为止发现的最薄的稳定在0 K的金属纳米线。

纳米材料研究

来自EPFL材料理论与模拟实验室的研究人员已经使用计算方法确定了可能最薄的金属线，以及其他几种具有许多应用前景的单维材料。

一维（或1-D）材料是纳米技术最有趣的产品之一，由排列成线或管形式的原子组成。它们的电、磁和光学特性使它们成为从微电子到生物传感器再到催化等应用领域的优秀候选者。虽然碳纳米管是迄今为止最受关注的材料，但事实证明它们很难制造和控制，因此科学家们渴望找到其他化合物，可以用来制造具有同样有趣性质的纳米线和纳米管，但更容易处理。

识别一维结构

所以基娅拉·奇尼亚雷拉（Chiara Cignarella），大卫·坎皮（Davide Campi）和尼古拉·马扎里（Nicola Marzari）想用计算机模拟来解析已知的三维晶体，寻找那些基于它们的结构和电子特性，看起来很容易“剥离”的晶体，本质上是从它们身上剥离一个稳定的一维结构。同样的方法在过去已经成功地用于研究二维材料，但这是第一次将其应用于一维材料。

研究人员从文献中发现的各种数据库中收集的超过78万个晶体开始，并通过范德华力（当原子足够接近使电子重叠时发生的一种弱相互作用）将它们结合在一起。然后，他们应用了一种算法，该算法考虑了原子的空间组织，寻找那些包含线状结构的原子，并计算了将这种一维结构与晶体的其余部分分离需要多少能量。

发现最细的金属线

奇尼亚雷拉是这篇论文的第一作者，他说：“我们专门寻找金属线，这应该很难找到，因为一维金属原则上不应该足够稳定，不能脱落。”

最后，他们列出了800种一维材料，从中选择了14种最佳候选材料 —— 这些化合物尚未被合成为实际的电线，但模拟表明是可行的。然后，他们开始更详细地计算它们的性质，以验证它们有多稳定，以及人们应该期望它们具有什么样的电子行为。

纳米线研究的突破性发现

四种材料 —— 两种金属和两种半金属 —— 是最有趣的。其中，金属线CuC2是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今为止发现的最薄的稳定在0 K的金属纳米线。奇尼亚雷拉说：“这真的很有趣，因为你不会期望沿着单线的原子线在金属相中是稳定的。”科学家们发现，它可以从三种不同的母晶体（NaCuC2、KCuC2和RbCuC2）中剥离出来。它只需要很少的能量就可以从中提取，而且它的链可以弯曲，同时保持其金属性质，这将使它成为柔性电子产品的有趣之处。

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。

启示与未来研究方向

至于未来，奇尼亚雷拉解释说，该团队希望与实验者合作，真正合成这些材料，同时继续进行计算研究，看看它们如何传输电荷，以及它们在不同温度下的行为。这两件事都是理解它们在现实世界应用程序中的表现的基础。