超塑性成型制备有序金属纳米棒阵列的力学机理研究

Controlled fabrication of metallic nanostructures plays a central role in much of modern science and technology, because changing the dimensions of a nanocrystal enables tailoring of its mechanical, electronic and optical properties. Recently, we have invented a technique to rapidly fabricate ordered metal nanorods arrays by directly hot embossing a bulk metal into a nanomold. Our preliminary experiments show that the prepared metal nanorods possess perfect crystal structure, and their growth curves can be well described by a power law relationship. However, the physical mechanism behind the power law relationship as well as the effect of grain size and crystal orientation on the growth of nanorods is not clear. In this project, we will explore the physical mechanism of the superplastic nanomolding technique through a home-designed hot-pressing system, combined with the techniques of crystal analysis and molecular dynamics simulation. The ultimate aim of this project is to build a mechanical model for the growth of metal nanorods, which, we anticipate, will bring new perspectives and new methods to the study of physical-mechanical properties of nanomaterials and the application of nanometals in the fields of surface plasmon and sensors.

通过改变纳米金属的几何尺寸可以显著调控其力学、电学和光学性质。因此，开发快速且可控制备金属纳米结构的技术在纳米金属的基础应用研究中起着非常关键的作用。最近，我们发明了一种把块体金属直接热压到纳米模具中以快速制备有序金属纳米棒阵列的专利技术。初步实验表明：所制备的金属纳米棒具有完美的晶体结构，而其生长曲线可以用幂律关系很好的描述。然而，对于上述幂律关系背后的物理机制以及块体金属的晶粒尺寸、晶体取向等对纳米棒生长规律的影响，目前还不清楚。本项目拟通过自主设计并搭建的纳米热压系统，结合晶相分析和分子动力学模拟等手段，深入探讨超塑性成型制备金属纳米棒阵列的物理机制，最终建立金属纳米棒生长的力学模型。该项研究的开展将给纳米金属的物理力学性能研究以及纳米金属在表面等离子体科学及传感器等领域的应用带来新的视角、新的手段。

纳米材料卓越性能所要求的“小”与实验室研究成果走向应用所要求的“大”（宏量制造）存在巨大的鸿沟。本课题基于前期的实验发现——在远低于熔点的温度下通过塑性变形在块体金属表面快速实现纳米图案化，在项目的支持下对超塑性成型制备有序金属纳米棒阵列的力学机理开展系统深入的研究，取得了以下成果：1.从实验和理论两方面揭示了纳米尺度下基于原子扩散的力学机制使得所发明的纳米模塑技术具有“尺寸越小模塑效率越高”的特性，并验证了该技术原则上可适用于任意金属或合金的快速、低成本纳米制造；2.应用纳米模塑技术作为探测技术，提出了快速实验构建金属变形机制图谱的方法；3.开发了规则金属纳米结构的快速制备技术，实验表明所制备的金属基底可直接用作表面增强拉曼散射基底，应用于生物化学传感及污染物的检测。