现代建筑是一项精密的工作。建筑商必须使用符合特定标准的部件，例如理想组合的横梁或特定尺寸的铆钉。建筑行业依赖制造商来可靠地、可重复地制造这些部件，以建造安全的桥梁和可靠的摩天大楼。
现在想象一个更小的尺度——不到一张纸的百分之一的厚度。这是纳米尺度。科学家们正在努力开发量子计算等领域可能具有突破性的技术。在这种规模下，传统的制造方法根本行不通。我们的标准工具，即使是微型化的，也因为体积太大、腐蚀性太强而无法在纳米尺度上重复制造元件。
华盛顿大学(University of Washington)的研究人员开发了一种方法，可以在纳米尺度上实现可重复制造。该团队采用了一种广泛应用于生物学的基于光的技术——即光学捕集器或光学镊子——在无水、富含碳的有机溶剂的液体环境中工作，从而实现了新的潜在应用。
该团队在10月30日的《自然通讯》杂志上发表的一篇论文中指出，光镊充当了一种以光为基础的“牵引光束”，可以将纳米级半导体材料精确地组装成更大的结构。不像科幻小说中的牵引车光束抓取宇宙飞船，该团队使用光镊捕获比一米还短十亿倍的物质。
“这是一个纳米级制造的新方法,”文章的第二作者彼得Pauzauskie说,华盛顿大学的材料科学和工程学副教授,教员在分子工程与科学学院和研究所纳米工程系统,和在太平洋西北国家实验室的资深科学家。“在制造过程中不涉及腔体表面，这将最小化应变或其他缺陷的形成。所有的组件都悬浮在溶液中，我们可以控制纳米结构的大小和形状，因为它是一块一块组装起来的。”
“使用这种技术在有机溶剂允许我们使用组件,否则降低或腐蚀接触水或空气,”文章的第二作者文森特·霍姆博格说,威斯康辛大学的化学工程助理教授和教员的清洁能源研究所和分子工程与科学学院。“有机溶剂还能帮助我们对正在使用的材料进行过热处理，使我们能够控制材料的转变并推动化学反应。”
为了证明这种方法的潜力，研究人员使用光镊构建了一种新的纳米线异质结构，这是一种由不同材料组成的不同截面组成的纳米线。纳米线异质结构的初始材料是较短的晶体锗“纳米棒”，每个纳米棒只有几百纳米长，直径只有几十纳米——大约是人类头发的5000倍。每个表面都覆盖着金属铋纳米晶体。
然后，研究人员用这种基于光的“牵引光束”抓住其中一个锗纳米棒。来自光束的能量也会使纳米棒过热，熔化铋帽。然后，它们会引导第二个纳米棒进入“牵引光束”——多亏了末端熔化的铋帽——端到端的焊接。然后，研究人员可以重复这个过程，直到他们用重复的半导体-金属接头处组装出一个有图案的纳米线异质结构，这个异质结构的长度是单个构件的5到10倍。
Holmberg说:“我们已经开始把这种面向光学的组装过程称为‘光子纳米氧化’——本质上是用光在纳米尺度上焊接两个组件。”
包含材料间结的纳米线——比如由UW团队合成的锗铋结——可能最终成为为量子计算应用创建拓扑量子位的途径。
牵引光束实际上是高度聚焦的激光，会产生一种光阱，这是亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）在1970年代率先获得诺贝尔奖的方法。迄今为止，光阱几乎仅在基于水或真空的环境中使用。 Pauzauskie和Holmberg的团队改编了光阱技术，以在挥发性更高的有机溶剂环境中工作。
霍尔姆伯格说：“在任何类型的环境中产生稳定的光阱是一种微妙的力量平衡作用，我们很幸运有两个非常有才华的研究生共同致力于这个项目。”
组成激光束的光子在紧靠光阱的物体上产生力。研究人员可以调整激光器的属性，以便产生的力可以捕获或释放物体，无论是单个锗纳米棒还是更长的纳米线。
Pauzauskie说：“这是可靠的，可重复的纳米加工方法所需要的那种精度，而不会与其他表面或材料发生混乱的相互作用，而这种相互作用会给纳米材料带来缺陷或应变。”
研究人员认为，他们的纳米焊接方法可以使具有不同材料集的纳米级结构的增材制造用于其他应用。
霍尔姆伯格说：“我们希望这个示范结果能使研究人员使用光阱来操纵和组装更广泛的纳米级材料，而不论这些材料是否恰好与水相容。”
该论文的共同主要作者是威斯康星大学化学工程专业的研究生Elena Pandres，以及威斯康星大学化学系的博士研究生和现任博士后研究员Matthew Crane。合著者是西澳大学化学工程名誉教授E. James Davis。该研究由美国国家科学基金会，西澳大学分子工程材料中心，西美国大学分子工程与科学研究所，西美国大学纳米工程系统研究所，西美国大学清洁能源研究所，华盛顿州，华盛顿研究基金会资助。空军科学研究所。
——文章发布于2019年11月4日
