传统的以高温熔化金属并用之锻造用具的历史已有数千年了。眼下,一个化学研究小组发明了一种工艺,可将细小的金属颗粒合成为可以造型和入火铸造的物体,就如陶工将粘土塑造成陶器一样——烧制的温度仅比室温略高——由这种工艺塑造的物体,可以是单一的金属,也可是多种金属的合金,可以适合于多种用途,包括催化和光学方面。

前不久发表在《科学》杂志上的这项成果不断获得好评。纽约宾厄姆顿大学的化学家钟传健(译音)称,这项研究十分优秀,“将各种金属颗粒塑造成你想要的形状是一种非常大的进步。”

由于纳米粒子细微的体积使其具有独特的电学、化学和光学特性,已成为当前研究的热点。但是当研究人员试图让它们合为一体时,这些金属粒子通常会生成僵硬的晶体,无法成形。为此,伊利诺伊州西北大学的化学家巴托兹·格日博夫斯基(Bartosz A.Grzybowski)开始尝试增强纳米合成材料柔韧性的试验。但那样做需要达成一种微妙的平衡。如果纳米粒子结合过于容易,粒子间会相互盘旋并与四周的粒子连接,最终形成一个紧密缠绕多结的球体。但如果粒子之间连接过少,集合体就无法扩张。

格日博夫斯基研究小组首先从由碳氢化合物长链构成的衔接物开始,在长链的每个终端附着易与金属微粒连结的硫醇化学基。在衔接物中间他们放置了偶氮苯化学基,当其接触紫外线时会改变其结构。在这种情况下,衔接物就由亲油疏水化合物转变成为亲水化合物。

然后,研究人员把这种衔接物溶解在一种由有机溶剂和呈泡沫状的表面活性剂组成的混合物中,最后添加入表面包裹着简称DDA的有机化合物金属纳米粒子。当纳米粒子经过溶解扩散后,衔接物一端的硫醇化学基置换了结合力较弱的DDA分子,“夺”得了单独的纳米粒子。在此阶段,每个金属粒子都被DDA分子和少量的衔接物所包裹,而衔接物的(游离)硫醇化学基则被表面活性剂所包围,无法“看到”任何在附近游离的金属纳米粒子。此时格日博夫斯基研究小组迅速开启紫外线灯,衔接物随即变为亲水性,并在疏水有机溶剂中相向移动;而游离在硫醇化学基周围衔接物上的纳米粒子,则在不断地生成并拓展粒子网络。

然而研究小组并不想让所有这些网络联接起来,因为那会导致杂乱无章的沉淀。经过反复测试,他们发现如果只添加适量的纳米粒子,大量球形网络就会生成,不过这些粒子在集结前就已耗尽了“养料”。当这些“超级球体”汇集成一种蜡质状的氧化锡粘稠物时,这种粘稠物能铸塑成球形以至齿轮形等任何形状。此外,当它们在50℃下烧铸成形时,热量能将有机物驱除,并将周围的纳米粒子连接在一起,形成一种连续和多孔的金属网络。

西北大学的研究人员现已证实,他们新近烧铸的金属是能导电的。目前他们正在测试其光学和催化特性。如果这些特性证明性能优异,那么可成形塑造的纳米金属最终可能制作成用于燃料电池的催化薄膜,以及新颖独特的化学传感器等一系列产品。35