食盐助力新型金属纳米管崛起，或引领电子设备革命

研究人员首次制造出具有稳定、可预测特性的铌硫化物金属纳米管，这是先进材料科学中一个长期追求的目标。根据一个国际团队的说法，其中包括宾州州立大学的研究人员，这种新型纳米材料可能为更快的电子设备、高效的超导电缆电力传输甚至未来的量子计算机铺平道路，而这一切的实现得益于一个意想不到的成分——食盐。

他们在 ACS Nano 期刊上发表了他们的研究。

纳米管是如此微小的结构，以至于数千个纳米管可以并排放在一根人类头发的宽度上。这些微小的空心圆柱体是通过卷起原子层制成的；纳米管具有不寻常的大小和形状，使它们的行为与三维材料或块状材料截然不同。

它们可以比钢更强，但比塑料更轻，电流通过时几乎没有阻力，热量传导效率高，甚至表现出奇特的量子效应。

研究作者、宾州州立大学的工程科学与力学教授、物理学教授以及材料研究所成员斯拉瓦·V·罗特金表示，这些特性使它们成为未来技术的有前景的构建块。

Rotkin 解释说，可以通过使用特定类型的原子来定制纳米管的特性。这是研究人员渴望制造二硫化铌纳米管的一个原因。直到现在，科学家们可以可靠地从碳中制造纳米管——碳可以作为半导体或半金属使用——以及从绝缘的氮化硼中制造，但无法从真正的金属中制造，因为它们在原子尺度上表现得非常不同。

Rotkin 说：“我们现在拥有的是金属外壳，原则上可以展现出超导性和磁性等现象，而这些在绝缘体或半导体中是无法实现的。以前的半金属碳纳米管没有表现出超导性或铁磁性，因为电子密度低。”

该团队使用了二硫化铌，这是一种在块体状态下以超导性等特殊性质而闻名的金属，超导性允许电流以零电阻流动。他们成功地将这种金属制成仅为十亿分之一米宽的管子，将其包裹在由碳和氮化硼纳米管构成的模板上。

Rotkin 说，让材料卷起来的形状是一个突破。通常，这类材料更喜欢以平坦的薄片形式展开。研究人员发现，在生长过程中，适时添加少量普通盐会产生显著的效果。

Rotkin 说：“从某种角度来看，这有点像中世纪的炼金术。你加一点微小的成分，反应就会突然变化。没有盐，二硫化铌会平坦生长。有了盐，它就包裹住纳米管，形成我们需要的外壳。”

纳米管揭示了另一个惊喜。该材料更倾向于制造双层管，而不是单层管，就像一对嵌套的吸管。

罗特金说：“我们发现，直径最小的纳米管大多数是双壳的，而不是单壳的。这意味着制造双壳比制造单壳更有利，这并不是你通常会预期的。”

罗特金和他的同事认为，双壳的生长是因为电流在壳层之间流动。通过两层，电子可以从一个壳层跳到另一个壳层，有点像一个原子级的电容器，稳定整个结构。罗特金提出了一个新模型，并进行了计算机模型模拟，以支持这一想法。

这些纳米管的卷曲形状解决了工程师在处理平面二维材料时遇到的问题。为了从平面薄片制造纳米线，科学家必须使用光刻技术进行雕刻，这一过程类似于在硅芯片上蚀刻图案。但在如此微小的尺度下，雕刻会留下粗糙的边缘，破坏材料的性质。

罗特金说：“如果把它卷起来，就会形成一个没有悬挂键的壳层。壳层的直径能准确告诉你它的行为。纳米管的随机性远低于从二维薄片切割出来的纳米线。”

罗特金说，这种精确性可能使金属纳米管在需要可靠性的应用中变得有价值。

“我们知道二维二硫化铌已经显示出超导性，”罗特金说。“如果我们能在一维纳米管中加以利用，这将为量子计算和制造更快、更高效的超导电线创造机会。”

目前，研究仍处于基础阶段，但它提供了罗特金所称的重要的概念验证。

“这些是初步结果，但它们表明我们可以合成金属纳米管，并开始理解它们的稳定性，”罗特金说。“接下来，我们可以开始考虑如何将它们应用到技术中。”

罗特金贡献了关于壳体如何相互作用的理论模型，他表示这个项目展示了国际合作的力量。

“这项工作不能孤立完成，”他说。“这需要一个拥有不同专业背景的团队，我很幸运能够成为其中的一部分。”

更多信息： Wanyu Dai 等，金属的 NbS2 一维范德瓦尔斯异质结构，ACS Nano（2025）。 DOI: 10.1021/acsnano.5c11180