近期《自然通訊》雜誌刊登了來自德國馬普學會(hui) 膠體(ti) 與(yu) 界麵研究所的最新研究成果。文章中，該所的跨學科團隊展示了一種激光驅動技術，使他們(men) 能夠製造納米顆粒，如銅、鈷和鎳氧化物。光電極生產(chan) 在這種印刷速度下生成，並為(wei) 將來大規模應用奠定基礎比如綠氫。

以往要想生成納米材料，需要在反應容器中以高能量輸入和許多時間來完成。利用該研究所開發的激光驅動技術，科學家們(men) 可以在表麵沉積少量材料，同時利用激光的高溫在瞬時對其進行化學合成。“當我在電子顯微鏡下發現納米晶體(ti) 時，我知道發現了一件大事。”該論文第一作者Junfang Zhang說道。這一發現，為(wei) 研發人員找到了一種全新的、環境友好型的生產(chan) 合成材料方法。此外，通過這種工藝技術能有效地將太陽能轉化為(wei) 電能。

圖1：用於(yu) 生成結構明確的過渡金屬氧化物/氮化碳複合薄膜的激光驅動轉移合成工藝原理，a）激光照射將材料從(cong) 供體(ti) 轉移到受體(ti) 表麵；b）激光快速加熱、熔化和轉移供體(ti) 材料。同時達到金屬前驅體(ti) 的分解溫度，形成過渡金屬氧化物結構；c）用丙酮短暫衝(chong) 洗後，形成過渡金屬氧化物/氮化碳複合膜（來源：馬克斯普朗克膠體(ti) 與(yu) 界麵研究所）

“如今，大多數綠色氫氣是通過太陽能電池板產(chan) 生的電能從(cong) 水中產(chan) 生的，並儲(chu) 存在電池中。通過使用光電極，我們(men) 可以直接使用太陽能。”Aleksandr Savateev博士說。

實驗表明，新開發的技術是在“過渡金屬氧化物”（transition metal oxides）作用下得以實現的，主要是銅、鈷和鎳的氧化物，這些都是很好的催化劑。這些氧化物的特殊之處在於(yu) 晶體(ti) 形式的多樣性（納米晶體(ti) ，如納米棒或納米星），這會(hui) 影響它們(men) 的表麵能量。每種結構對催化的反應都有不同影響。因此，重要的是研發人員希望按照設計製造這些納米結構表麵，並且可以不斷重複。

新開發的技術還可用於(yu) 快速有效地尋找新催化劑。“一個(ge) 接一個(ge) 的激光點，我們(men) 可以通過簡單地改變成分和條件來並排製造不同的催化劑，然後對它們(men) 進行測試”，Felix Löffler博士補充說，“但現在我們(men) 需要致力於(yu) 在所有應用中製造更持久的催化劑係統。”

方法

將豐(feng) 富的太陽能轉化為(wei) 光電化學電池中的燃料和高附加值化學品，作為(wei) 一種能夠減輕環境影響的技術受到了極大關(guan) 注。研究人員根據激光誘導前向轉移（LIFT）原理，開發了激光驅動轉移合成（LTRAS）技術。與(yu) 通常將合成粒子釋放到液體(ti) 中的傳(chuan) 統（脈衝(chong) ）激光燒蝕方法不同，LIFT是一種用於(yu) 轉移薄膜表麵圖案的通用無掩模方法。它以廣泛的變化範圍實現，用於(yu) 將幾乎任何材料的精確和微量沉積到表麵。

例如，可以使用高功率脈衝(chong) 激光器通過直接激光熔化和噴射轉移金屬。一種使用脈衝(chong) 激光的顯著變體(ti) ，稱為(wei) 矩陣輔助脈衝(chong) 激光蒸發直寫(xie) （MAPLE DW），能夠轉移熱敏和機械敏感材料，例如（納米）顆粒（例如陶瓷、合金、聚合物）。LTRAS基於(yu) 光熱效應，聚焦激光照射在所需位置產(chan) 生一個(ge) 受限的溫度場。前體(ti) 鹽被轉移到熔化的聚合物內(nei) 部，並在幾毫秒內(nei) 轉化為(wei) 金屬氧化物納米顆粒。

類似於(yu) 打字機的原理，材料從(cong) 供體(ti) 轉移到受體(ti) 載體(ti) 。前者是“墨水”，一種與(yu) 金屬鹽混合的固體(ti) 聚合物，後者由導電電極上的氮化碳薄膜組成。之後，研究人員用激光照射按照既定設計的路線，將金屬鹽與(yu) 熔融聚合物一起轉移到受體(ti) 。短暫的高溫會(hui) 導致金屬鹽在幾毫秒內(nei) 發生反應，並轉化為(wei) 具有所需形態的金屬氧化物納米顆粒。

研究人員展示了連續波激光工藝不僅(jin) 可以轉移，而且還可以驅動化學反應，在不同基板（如玻璃、摻氟氧化錫、碳、氮化碳）。在激光係統中，複合薄膜的構型可以根據基板上的宏觀位置（通過激光照射模式）、微觀顆粒形狀和尺寸（例如通過激光能量）以及類型材料（通過不同的前體(ti) 材料或幾種前體(ti) 的順序沉積）。
研究人員使用LTRAS方法生成氧化銅/氮化碳）複合薄膜作為(wei) 光陽極。在氮化碳襯底上獲得了尺寸和形狀可控的薄層氧化銅納米結構。到目前為(wei) 止，LTRAS提供了一種在氮化碳薄膜上生長出不同過渡金屬氧化物結構的靈活方法。