武大高效率制备50000纳米金属纳米线阵列，可用于等离子波导领域

2015 年，完成耶鲁大学的博后研究之后，刘泽教授回国加入武汉大学工程力学系成立独立课题组。

自那以后，他一直从事力学与先进制造的交叉研究。由于金属材料具有优异的性能、应用也非常广泛，他和团队选择将金属材料的成型微制造作为研究重点。

在聚合物或半导体硅上，人们已经发展了成熟的微加工技术比如光刻技术。但是，金属通常具有高熔点、高模量和相对稳定的化学性质，这为金属的可控微纳制造带来了极大的挑战。

为此，课题组在 2016 年时提出应用金属塑性变形的纳米图案化技术原理，并在随后几年实现了各种晶体金属以及合金的高通量高质量纳米成型制造 [1]。

图 | 刘泽（来源：刘泽）

随着现代信息技术、能源技术、柔性电子技术等的快速发展，导电纳米线成为一种重要原材料，于是刘泽团队开始思考如何提高金属纳米成型的效率。

然而，纳米尺度下极高的比表面积，使得界面摩擦成为纳米成型的一个关键挑战。他们曾尝试应用传统的润滑技术来降低界面摩擦，但是效果并不理想。

由于界面摩擦是一个涉及材料、物理、化学和力学的复杂过程，人们对界面摩擦机制的理解还远远不够，因此上述问题一直困扰着他。

直到 2021 年，他的博士生向俊庠终于通过化学修饰改变界面润湿性，观测到纳米成型效率的提高。

他说：“这个现象使我意识到，我们可能不止是找到了一种实现纳米尺度固体润滑的方法，还可能为界面摩擦机制的深入研究提供了机会。”

后面，课题组设计系统的对照实验，通过分析数据发现，界面摩擦与接触固体的塑性变形、界面粘附强耦合，通过控制界面粘附可以调控界面摩擦。

但是，只有当成型温度在金属扩散变形机制主导的温度区间。同时，成型压力使得界面滑移处于激活态时才能实现界面润滑。

基于这一新认识，课题组实现了金属纳米成型效率数量级的提升。例如，之前他们在一定条件下制备的金属纳米柱的长度只有 500 纳米，如今在相同的工艺条件下，可以制备出长度达 50000 纳米的金属纳米线阵列。对此刘泽表示，该技术将促进金属纳米线这一原材料的商业化。

近日，相关论文以《观察通过控制表面润湿性增强晶体金属的纳米级蠕变流动》（Observation of enhanced nanoscale creep flow of crystalline metals enabled by controlling surface wettability）为题发表在 Nature Communications 上[2]，向俊庠是第一作者，刘泽担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

可以说，他们通过这样一个有趣的尝试，来解耦表面润湿性（表面粘附）和材料变形对于固-固界面摩擦的影响，在较大程度上加深了对润湿性、界面现象和纳米摩擦学的理解。

另据悉，微型化是现代科技的一个重要发展方向，而微纳制造是实现从原材料到微型产品的关键环节。

相比其他微加工技术，此次开发的纳米模塑技术，不仅在材料适用性、纳米线的单晶一致性方面具有优势，尤其是可以高效率、批量地制备极高长径比的纳米线，刘泽期望该成果能在柔性电子、等离子波导、电极材料、催化、表面增强拉曼散射传感、以及微机电系统器件等领域取得应用。

据他回忆，研究组当初的目标是如何提高成型效率。从力学原理来看，思路是非常清晰的，因此他提出了多个技术方案，由学生们分别进行尝试。

但是刚开始进展的很艰难，因为没有现成的可参考文献，并且其他的技术方案要么是在小尺度下失效，要么是技术挑战太大。

在经历各种尝试、失败和总结经验后，研究进程也开始柳暗花明，这可能也是探索性研究课题的普遍现象。

（来源：Nature Communications）

关于此次成功，还有一点刘泽认为也比较重要。他说：“21 世纪是一个交叉学科的时代，而我有幸受到固体力学与微纳米力学专家郑泉水院士和材料物理专家 Jan Schroers 教授两位老师的学术熏陶。”

因此，在研究过程中的关键节点，他总能抓住重点。而这也是其希望能潜移默化传递给学生的科学素养。

而在刚带学生的头几年，由于学生不多，刘泽通常会给每个学生设计多个挑战性课题，但是后来他们总是反映课题又难又多，很多时候摸索好久也没有太大进展，当然也就发表不了论文。

“学生通常目标性很强，认为做课题就是奔着论文去的。在这项工作的同时，我也给向俊庠设计了其他两个课题，但目前都没有取得实质性进展。最终能够取得突破，我认为主要是他加入了自己的主观能动性。”他说。

有一天，向俊庠突然问刘泽：“能不能通过表面化学改性来提高成型效率。”

起初，他认为可能不会有明显效果，因为他之前做过类似的尝试，但他还是鼓励向俊庠去尝试。

最后，向俊庠通过硅烷化处理表面后，观测到成型效率明显提升。“这件事后，我改变了策略，让学生从多个课题中选择一个自己最感兴趣的课题开展研究，以充分调动他们的主动性。”刘泽表示。

（来源：Nature Communications）

此外，在 2017 年刘泽曾获得国家自然科学奖二等奖、排名第 4。他说：“这个奖是基于一系列成果，是针对范德华层状介质这一大类材料的界面滑移行为和力学模型的系统研究，第一获奖人是我的导师郑泉水院士，其他获奖人都是我的同门师兄。”

在攻读博士期间，刘泽的课题是结构超润滑的研究，他在导师的指导下在国际上首次实现了微米尺度、大气环境下的结构超润滑，相关论文于 2012 年发表在物理学最负盛名的期刊 Physical Review Letters 后，很快引起全球性关注，被业界评价为重大突破和一个先驱性进展，并使得结构超润滑研究迅速成为一个国际前沿热点。

“正是这个课题的研究经历，使得我对固-固摩擦有比较深入的认识，并且相信开发层状材料涂层技术，是有望实现高熔点金属的高效率纳米成型制造的。”刘泽继续说道。

接下来，他将针对三方面继续开展研究：

首先，要对超长金属纳米线展开若干应用上的探索；

其次，关于接触固体不同的塑性变形机制，对于固-固界面滑移的影响机制以及原子尺度的微观过程目前还不清楚，因此课题组拟结合原位实验和分子模拟开展更深入的研究；

此外，目前用到的表面硅烷涂层，其耐受温度只有 200 度左右。虽然该团队在不同晶体结构的低熔点金属中验证了结论的普适性，但从实际应用的角度，刘泽希望通过寻找耐受更高温度的涂层，比如层状材料来实现高熔点金属的高效率纳米成型制造。

参考资料：

1.Nature Communications, 8, 14910, 2017; Physical Review Letters, 122, 036101, 2019; Physical Review Letters, 124, 036102, 2020

2.Xiang, JX., Liu, Z. Observation of enhanced nanoscale creep flow of crystalline metals enabled by controlling surface wettability.Nat Commun 13, 7943 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35703-6