科学家用铜和碳原子锻造出世界上最细的金属丝

洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用计算方法研究了78万多种晶体的结构特性，确定了潜在的单维纳米材料，包括可能是最细的金属丝。他们的发现聚焦了14种在电子学和量子研究中具有潜在用途的材料。资料来源：NCCR MARVEL

研究人员利用计算工具寻找可以从已知三维晶体中剥离出来的新型一维材料。在一份包含 78 万多种晶体的初始清单中，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料--这些化合物尚未合成为真正的金属丝，但模拟结果表明是可行的。其中包括金属丝CuC2，它是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链，是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。

洛桑联邦理工学院材料理论与模拟实验室的研究人员利用计算方法确定了可能是最细的金属丝，以及其他几种单维材料，这些材料的特性可能会被证明对许多应用领域很有意义。

单维（或一维）材料是纳米技术最引人入胜的产品之一，由原子排列成线或管状组成。它们的电学、磁学和光学特性使其成为从微电子学到生物传感器再到催化等各种应用的绝佳候选材料。虽然碳纳米管是迄今为止最受关注的材料，但事实证明它们非常难以制造和控制，因此科学家们迫切希望找到其他化合物，用于制造具有同样有趣特性但更容易处理的纳米线和纳米管。

因此，Chiara Cignarella、Davide Campi和Nicola Marzari想到利用计算机模拟来解析已知的三维晶体，根据它们的结构和电子特性，寻找那些看起来很容易"剥离"的晶体，从本质上剥离出稳定的一维结构。同样的方法过去曾成功用于研究二维材料，但这是首次应用于一维材料。

研究人员从文献中的各种数据库中收集了超过 78 万个晶体，这些晶体通过范德华力（原子距离足够近，电子重叠时产生的一种微弱相互作用）结合在一起。然后，他们采用一种算法，考虑原子的空间组织，寻找具有线状结构的原子，并计算出需要多少能量才能将这种一维结构从晶体的其他部分分离出来。

论文第一作者 Cignarella 说："我们一直在寻找金属丝，但这种金属丝应该很难找到，因为一维金属原则上应该不够稳定，无法进行剥离"。

最终，他们得出了一份包含 800 种一维材料的清单，并从中选出了 14 种最佳候选材料--这些化合物尚未合成为真正的导线，但模拟结果表明是可行的。然后，他们开始更详细地计算这些材料的特性，以验证它们的稳定性如何，以及人们对它们的电子行为有何期待。

四种材料--两种金属和两种半金属--成为最有趣的材料。其中金属丝CuC2 是由两个碳原子和一个铜原子组成的直线链是迄今发现的在 0 K 温度下稳定的最细金属纳米线。Cignarella说："这真的很有趣，因为你不会想到由单线原子组成的实际金属丝会在金属相中保持稳定。科学家们发现，它可以从三种不同的母晶体中剥离出来，这些晶体都是实验中已知的（NaCuC2、KCuC2和 RbCuC2）。从它们中提取这种物质所需的能量很少，而且其链可以弯曲，同时保持其金属特性，这将使它对柔性电子产品产生兴趣。"

这项发表在《ACS Nano》上的研究还发现了其他有趣的材料，其中包括半金属Sb2Te2，由于其特性，可以研究一种 50 年前就被预测但从未被观测到的奇异物质状态，即激子绝缘体，这是量子现象在宏观尺度上变得可见的罕见情况之一。此外，还有另一种半金属Ag2Se2 和TaSe3，后者是一种著名的化合物，也是唯一一种已经在实验中剥离成纳米线的化合物，科学家将其作为基准。

至于未来，Cignarella 解释说，研究小组希望与实验人员合作，实际合成这些材料，同时继续进行计算研究，了解它们如何传输电荷以及在不同温度下的表现。这两点对于了解它们在实际应用中的性能至关重要。

编译来源：ScitechDaily