纳米世界的螺旋结构

　　

1953年4月25日，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克向世界公布了生命遗传物质DNA的双螺旋结构，开创了分子生物学的新时代。如今，美国佐治亚理工学院董事及教授（Regents’Professor）王中林与同事在9月9日出版的《科学》杂志上报告说，他们在纳米的世界里制作出无机晶体材料的螺旋结构，这是人类创造出的又一种崭新的无机功能材料类的“DNA”结构。《科学》杂志的一位审稿人指出：“这是非常振奋人心的工作”，另一位审稿人认为：“其结构分析是极超常的”。

图片说明：(A) 超晶格结构的氧化锌纳米螺旋结构的扫描电子显微镜照片。(B) 透射电子显微镜照片展现构成螺旋结构的纳米带是由周期性超晶格结构所构成的。

    王中林同时也是北京大学的兼职教授和中国国家纳米科学中心的海外主任。他的研究小组曾研制出碳管纳米秤、纳米带、半导体纳米和自环绕纳米环等。近日，他们又实现了氧化锌纳米带的超晶格螺旋自组装，这种完美的纳米螺旋晶体具有刚性结构，开拓了功能氧化物纳米结构研究和应用的新领域。

    氧化锌是一种典型的纤锌矿结构半导体材料，具有极其重要的光电、传感和生物功能等性质和沿极化各向异性生长的功能，是目前最受关注的纳米材料之一。超晶格是指构成该螺旋结构的纳米带，由两种宽度为1.7纳米、具有不同取向的条状氧化锌晶体交替平行且周期排列形成。用高温热蒸发气相沉积的方法，王中林和博士生高普献、博士后丁勇等在纳米尺度上实现了氧化锌一维晶体表面从单晶体向超晶格结构的急剧转变，同时超晶格结构最终又变为单晶体。通过控制晶体面的生长动力学，降低表面静电极化能，极性单晶纳米带突然发生结构转变，转变为由极化纳米带和非极化纳米带周期交替，从而形成超晶格的螺旋结构。这种结构的螺旋直径为300～700纳米、宽度为100～500纳米、螺旋的周期为500～2500纳米，长度可达0.1毫米。

    通过实验常数和生长动力学的优化设计，该研究小组已成功控制了这一特殊螺旋超晶格晶体的生长过程。王中林说，这种由一维晶体表面极化性质的转变所导致的从单晶体到超晶格的结构演变，为研究并深入理解其他同样具有纤锌矿结构半导体材料提供了极好的参考体系。

    压电效应是应用于传感和控制学科的最重要的物理效应之一。在加应力时，一些特殊结构的晶体可以产生电压差。反过来，在外电场的作用下，该晶体可以产生弹性形变。压电效应是把应力互换为电信号的重要物理过程，压电畴是指具有单一最大压电方向的晶体颗粒的空间尺寸和分布。研究小组还发现，组成这种完美螺旋超晶格的极化纳米带和非极化纳米带的晶体极化取向相互垂直，他们推测，如果说压电畴界存在的话，那么这种超晶格应该是一种周期性压电畴，很可能是第一个真正意义上的周期性压电畴。如果是这样，这将对研究晶体各向异性对半导体物理性质的影响提供一个理想理论和实验体系。

    为了进一步研究这种纳米螺旋的性能，研究小组对单个螺旋进行了离子束切割和原子力显微镜针尖机械切割，发现切断螺旋保持原始形状，没有明显弹性能的释放，证明了超晶体螺旋是一种刚性结构，储存的弹性能极小。在原子力显微镜下对单个螺旋进行纳米位移操作，再加上力学计算，他们发现这种氧化锌超晶格螺旋具有与单根纳米带的弹性系统相当的横向弹性系数。

    目前，该研究组继续在原子力显微镜下进行纳米尺度操作测量，对螺旋超晶格纳米力学性质进行深入的测量表征。与此同时，他们已经开始了对这种同时具有半导体超晶格结构和压电效应的新型独特纳米螺旋进行纳米电机耦合系统，纳米传感器的开发应用研究。

    王中林认为，新型的纳米螺旋不仅具有半导体性质和压电效应，而且具有特殊的超晶格结构，有着巨大的潜在优势，可被用于设计研制超灵敏纳米传感器、电机耦合器、纳米压电马达，甚至生物探测器，同时也为基础纳米物理和计算物理提供了一个挑战性的课题。