超长金属纳米线靠着它独特的光学电学以及力学特性，广泛运用于各种产业，例如微纳光学纤维、微纳电子纤维、透明电极、光学超材料、传感器平台等等。近日，加州大学洛杉矶分校的李晓春教授（点击查看介绍）团队通过对金属材料进行纳米颗粒掺杂，实现了一种超长金属纳米线的制备，该工艺大大突破了以往高通量金属微纳米线制造的极限，成功实现了超1.8 × 106长宽比、170纳米尺寸金属线高通量制备。

图1. 锌金属纳米线表征结果。（a）相机（b）光学显微镜（c-d）电子显微镜。图片来源：Nat. Commun.

传统的纤维内热拉方法（Thermal drawing in fiber）也称为泰勒线工艺（Taylor wire process），通过对纤维热拉炉（thermal drawing furnace）的实时控制实现玻璃纤维、金属纤维和高分子材料纤维在非晶外壳内的制备。目前，非金属材料的纳米线制备利用纤维内热拉的方法已经实现了超长硅基纳米线的制备。但是，由于熔融金属的低黏度和高界面能，目前的制造工艺难以实现工业级超高长宽比的金属纳米线材料。在极限情况下仅能实现1厘米长、200纳米直径的金属线制备。加州大学洛杉矶分校团队利用高效的纳米复合材料合成技术，利用纳米颗粒在熔融金属内的自散性质，将碳化钨纳米颗粒合成入金属锌基体内，以增加液态金属的黏度及降低界面能，从而抑制了在纳米线制备过程中高概率出现的流体不稳定性，大大减少了液态金属在制备过程中因Plateau-Rayleigh不稳定性形成液滴造成纳米线断裂的几率。该工作从理论上深入研究了纤维热拉工艺的理论模型，即Tomotika模型，从理论上计算与分析了纳米复合材料在工艺上的可行性以及理论上的纳米线尺寸极限。在以该理论的前提下，辅以工艺上的精确控制（包括温度、速度、压力），该团队成功实现了锌基金属纳米线的高通量生产，并在电子显微镜下成功观测到了碳化钨纳米颗粒作用于金属纳米线与玻璃外壳的界面上产生对界面能的影响。该工艺的重复性和可靠性也表现了优异的性能。

该纳米线制备工艺的实用性使其可以运用于生物医学，有望达到便捷的高敏细胞内电信号监控与检测。同时也可以运用在光学器件，实现带有负折射率的光学超材料。这种通过纳米粒子抑制流体不稳定性的新机制不仅能够生产超长金属超细/纳米线，而且可以在其他流体相关领域得到广泛应用，因为流体不稳定性在自然界和工业中是一个普遍的挑战。

这一成果近期发表在《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上，文章的共同第一作者是加州大学洛杉矶分校的博士研究生黄仁柱和关泽一。通信作者李晓春教授为这所大学机械系、材料系讲座教授，世界著名金属制造专家。李晓春教授过去近二十年为纳米冶金理论发展作出突出贡献。2015年发现了纳米颗粒在熔融态金属中自散的机制，解决了纳米颗粒在金属中团聚的世界难题（Nature, 2015, 528, 539–543，点击阅读相关），为纳米冶金产业化奠定了科学和技术基础。此外MetaLi公司[1]正在商业化超长金属纳米线制备技术。