纳米技术新突破：高分子模具或可制备硅纳米结构

青华模具小雨

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图片描述：A和B为多孔螺旋形树脂模板（周期性排列）的扫描电镜图片，C和D为移除模板后激光诱导的晶体硅纳米结构图。图片来源：Cornell University

人类自诞生以来就开始使用模具去制作东西了。在青铜器时代，将铜-锡合金熔化后倒入陶模中以制作武器。现在人们广泛使用注射和挤出成型工艺，利用热液体来制作包括从汽车零件到玩具的各种物品。想要确保这些工作正常完成，在热液体逐渐固化成型的过程中，模具必须具有很稳定的性质。

日前，康奈尔大学（Cornell University）的高分子工程师制备了一种纳米结构模具，可以将液态硅转变为一种有机高分子材料。这是纳米科学的一项突破性进展，使得制备具有良好性能的3-D单晶纳米结构成为可能。此项工作是在康奈尔大学Uli Wiesner教授领导下完成的。此实验室之前一直致力于有机高分子新型材料的制备。通过合适的化学方法和有机高分子的自组装，研究人员利用高分子的特殊性质制作了此种模具，模具上点缀了很多精密的纳米孔结构。

通常来说，在熔化温度约为2350度时，熔化的非晶硅会破坏高分子模具，其降解温度约为600度。但是康奈尔大学的研究人员通过与Micheal Thompson的合作，利用激光的超短熔化周期成功解决了这一问题。

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研究人员发现，高分子模具可以经受住激光脉冲对硅的几纳秒加热。在如此短的时间尺度下，硅可被加热成液体，但是由于其熔化时间非常短，高分子没有足够的时间来氧化和分解，即通过此方法高分子模具可在高于分解点的温度之上仍保持不变形。当模具被蚀刻掉后，研究人员发现硅可以很好地在模具上成型，即可以得到具有良好性能的单晶硅纳米结构。虽然目前还没有制备成品，但是根据论文结果，实现完全是可能的。在一项2010年发表的研究成果中，Wiesner和他的同事们已使用一种氧化模具指出了形成单晶硅纳米结构的方法过程。

Wiesner对此项突破性研究给予高度赞赏，称其提供了一种研究纳米尺寸材料的基本方法。材料科学的目标就是得到一种规整结构，在不受材料缺陷干扰的情况下对其进行研究。

大多数自组装纳米结构都是非晶态或多晶体，即由一种或多种材料按序组装所得。这种方法很难判断结构的性质源于本身还是由材料的缺陷所致？单晶硅的发现带来了一场电子革命，它是一种广泛应用于集成电路中的半导体结构。将单晶材料制备成晶片的做法是真正理解了硅的半导体性质。现在，利用纳米技术已经可以实现纳米尺寸的精细刻蚀，例如在硅片上可低至10纳米。但是诸如光刻（将高分子材料写入一种蚀刻到硅的结构中）的纳米制造工艺很难应用于3-D结构。

类似于硅的半导体材料并不能像高分子材料一样自组装进有序结构中。在半导体中得到一种三维的单晶结构，这一说法几乎没有听说过。我们可以通过两种方法制备单晶微纳米结构，一种是多重刻蚀，另一种是模具制造。Wiesner的团队现在正致力于模具的制备。

制备模具本身就是一种突破，Wiesner的团队之前通过嵌段共聚物（即内部分子具有特殊的结构）自组装高度有序的多孔纳米材料。首先，使用Thompson实验室的二氧化碳激光器将纳米硅材料写入硅片中，再把一层含有嵌段化合物的薄膜旋涂到晶片上，指导聚合物树脂的组装。通过用激光在薄膜上划线使得嵌段化合物分解，其正面树脂的抵抗作用可使反面的树脂掉落从而形成多孔纳米结构，从而得到模具。

Winesner说道：“实验结果已经表明，我们可以使用含有类似于螺旋二十四面体（一种周期有序的立方网络结构）复杂结构的有机模板，将其印在熔融态硅上，从而得到晶体硅。”

美国国家科学基金会（National Science Foundation）的Andy Lovinger说道：“作为所有电子产品主力军的硅，能将其制备成各种复杂的形状，这是前所未有的。这项出色的工作表明，我们可以很好地利用高分子材料诸项独特的设计属性。”（科学之家，译审：F Ma）

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