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February 15, 2010
(PhysOrg.com) -- 從電路到摩天大樓，焊接利用熱將每樣事物中的片段金屬接合。但 Rice 大學研究者們已發現某種方法，能在奈米等級上擊敗「熱」。
Jun Lou（音譯：劉俊），機械工程與材料科學助教授，以及他的小組發現，介於 30 億分之一到 100 億分之一公尺寬的金導線，能相當漂亮地將它們自己焊在一起 -- 不用加熱。
他們在今日的 Nature Nanotechnology 期刊線上版報告，乾淨的金奈米線具有理想的原子結構，能融合（merge）到單一導線中，而不會失去它的電子或機械特性。此過程只對銀奈米線（那彼此結合）或是金有效。
這種「冷焊（cold-welding，譯註：亦指冷結合）」過程在巨觀尺度上已被觀察了數十年，Lou 表示。乾淨、平坦的幾塊類似金屬能在高壓或是在真空下結合。但只有 Lou 等人在電子顯微鏡下，看見此過程發生在奈米尺度上。
一如基礎研究中經常發生的，那並非他們在尋找的東西。Lou 與畢業生 Yang Lu（音譯：劉揚）以及位於 Sandia 國家實驗室還有 Brown 大學的共同研究者，試圖將金奈米線的一端附著到穿透式電子顯微鏡（TEM）的探針上，另一端則接到稱為「原子力顯微鏡（AFM）探針」的微小懸臂樑彈簧上，藉此測定其抗張強度（tensile strength）。
將導線拉開使該團隊能測量其強度。他們沒預期見會到，當斷裂導線的末端或側邊受到觸碰時，它會自行修補。測量證明重新接合的導線與之前一樣強健。
"當你實際要拉緊某樣東西時，你需要先把它夾好，" Lou 說，他去年從美國空軍 Sponsored Research 辦公室獲得青年研究者研究計畫補助金。"在操作過程期間，我們一直觀察到這類結合行為。"
"最初，我們沒有注意它，因為那看起來不顯眼。不過在這個領域裡做了一些小研究後，我領悟到，我們發現某種也許有用的東西。"
在試驗中，Lou 發現奈米線能拉斷與結合許多次。修補好的導線不曾在相同的點上再度破裂；這證明了新結合的強度。
該導線的電氣特性似乎也不會受到反覆的斷裂與結合影響。"我們使導線斷裂然後使它重新結合 11 次，每一次都檢查電氣特性。這些數值都非常接近，" 他表示。
成功結合的關鍵是奈米線的單結晶質（crystalline）結構與相配的方向。"這裡有許多表面原子，非常活躍，那在奈米尺度下參與了擴散（diffusion），" Lou 說。"我們試過金與銀，而它們以相同方式結合，只要你滿足結晶質方向的要求。"
Lou 視此發現為張望分子尺度電子學的研究者，開闢了新的途徑。他表示，在哈佛與西北大學的團隊，正在研究為奈米線陣列製作圖案（pattern）的方法，而採納冷焊將簡化他們的過程。"如果你在打造高密度電子裝置，這些現象將非常有用，" 他說，並提到在奈米尺度上的熱誘導焊接（heat-induced welds）得冒著損及材料強度或傳導性的風險。
Lou 表示，這項發現在少數知道他研究的人當中引起一陣騷動。"不同的人看見不一樣的觀點：電機工程師看見應用面。理論家則看見這種行為背後某些有趣的物理學。我們希望這篇論文能鼓舞更多基礎研究。"
這篇論文的共同作者包括 Sandia 國家實驗室整合奈米技術中心的 Jian Yu Huang，Brown 大學的 Shouheng Sun 教授以及前畢業生 Chao Wang。
※ 相關報導：
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http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2010.4
Yang Lu, Jian Yu Huang, Chao Wang, Shouheng Sun & Jun Lou＊ 科學家利用金奈米級系統將光轉變成電流
Nature Nanotechnology, Published online: 14 February 2010
doi: 10.1038/nnano.2010.4
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