近期《自然通訊》雜志刊登了來自德國馬普學會膠體與界面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(qū)動技術(shù)，使他們能夠制造納米顆粒，如銅、鈷和鎳氧化物。光電極生產(chǎn)在這種印刷速度下生成，并為將來大規(guī)模應用奠定基礎(chǔ)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(fā)的激光驅(qū)動技術(shù)，科學家們可以在表面沉積少量材料，同時利用激光的高溫在瞬時對其進行化學合成?！爱斘以陔娮语@微鏡下發(fā)現(xiàn)納米晶體時，我知道發(fā)現(xiàn)了一件大事?！痹撜撐牡谝蛔髡逬unfang Zhang說道。這一發(fā)現(xiàn)，為研發(fā)人員找到了一種全新的、環(huán)境友好型的生產(chǎn)合成材料方法。此外，通過這種工藝技術(shù)能有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1：用于生成結(jié)構(gòu)明確的過渡金屬氧化物/氮化碳復合薄膜的激光驅(qū)動轉(zhuǎn)移合成工藝原理，a）激光照射將材料從供體轉(zhuǎn)移到受體表面；b）激光快速加熱、熔化和轉(zhuǎn)移供體材料。同時達到金屬前驅(qū)體的分解溫度，形成過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)；c）用丙酮短暫沖洗后，形成過渡金屬氧化物/氮化碳復合膜（來源：馬克斯普朗克膠體與界面研究所）

“如今，大多數(shù)綠色氫氣是通過太陽能電池板產(chǎn)生的電能從水中產(chǎn)生的，并儲存在電池中。通過使用光電極，我們可以直接使用太陽能?！盇leksandr Savateev博士說。

實驗表明，新開發(fā)的技術(shù)是在“過渡金屬氧化物”（transition metal oxides）作用下得以實現(xiàn)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于晶體形式的多樣性（納米晶體，如納米棒或納米星），這會影響它們的表面能量。每種結(jié)構(gòu)對催化的反應都有不同影響。因此，重要的是研發(fā)人員希望按照設計制造這些納米結(jié)構(gòu)表面，并且可以不斷重復。

新開發(fā)的技術(shù)還可用于快速有效地尋找新催化劑。“一個接一個的激光點，我們可以通過簡單地改變成分和條件來并排制造不同的催化劑，然后對它們進行測試”，F(xiàn)elix L?ffler博士補充說，“但現(xiàn)在我們需要致力于在所有應用中制造更持久的催化劑系統(tǒng)?！?br/>
方法

將豐富的太陽能轉(zhuǎn)化為光電化學電池中的燃料和高附加值化學品，作為一種能夠減輕環(huán)境影響的技術(shù)受到了極大關(guān)注。研究人員根據(jù)激光誘導前向轉(zhuǎn)移（LIFT）原理，開發(fā)了激光驅(qū)動轉(zhuǎn)移合成（LTRAS）技術(shù)。與通常將合成粒子釋放到液體中的傳統(tǒng)（脈沖）激光燒蝕方法不同，LIFT是一種用于轉(zhuǎn)移薄膜表面圖案的通用無掩模方法。它以廣泛的變化范圍實現(xiàn)，用于將幾乎任何材料的精確和微量沉積到表面。

例如，可以使用高功率脈沖激光器通過直接激光熔化和噴射轉(zhuǎn)移金屬。一種使用脈沖激光的顯著變體，稱為矩陣輔助脈沖激光蒸發(fā)直寫（MAPLE DW），能夠轉(zhuǎn)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基于光熱效應，聚焦激光照射在所需位置產(chǎn)生一個受限的溫度場。前體鹽被轉(zhuǎn)移到熔化的聚合物內(nèi)部，并在幾毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)化為金屬氧化物納米顆粒。

類似于打字機的原理，材料從供體轉(zhuǎn)移到受體載體。前者是“墨水”，一種與金屬鹽混合的固體聚合物，后者由導電電極上的氮化碳薄膜組成。之后，研究人員用激光照射按照既定設計的路線，將金屬鹽與熔融聚合物一起轉(zhuǎn)移到受體。短暫的高溫會導致金屬鹽在幾毫秒內(nèi)發(fā)生反應，并轉(zhuǎn)化為具有所需形態(tài)的金屬氧化物納米顆粒。

研究人員展示了連續(xù)波激光工藝不僅可以轉(zhuǎn)移，而且還可以驅(qū)動化學反應，在不同基板（如玻璃、摻氟氧化錫、碳、氮化碳）。在激光系統(tǒng)中，復合薄膜的構(gòu)型可以根據(jù)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（通過不同的前體材料或幾種前體的順序沉積）。
研究人員使用LTRAS方法生成氧化銅/氮化碳）復合薄膜作為光陽極。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(jié)構(gòu)。到目前為止，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(jié)構(gòu)的靈活方法。