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从超高速电子学到再生医学，一维纳米材料是“纳米尺度革命”不可或缺的组成部分。然而，只有当人类能够将其可靠地组装、排列并集成到大规模宏观架构中时，才能真正释放其全部潜力。

一维纳米材料是指其中两个维度被限制在纳米尺度（1到100纳米），而第三个维度远大于此的纳米结构，从而形成线状、带状或管状的形态。这种几何结构赋予了其独特的、高度定向的电学、热学和光学性质，这些性质与其对应的宏观块体材料有显著不同。

维度：从零维到三维

维度描述了纳米材料在多少个方向上的尺度被限制在纳米级别。在零维纳米材料（例如量子点）中，所有三个维度都小于约100纳米，实现了完全限域，并产生强烈依赖于尺寸的特性。在一维纳米材料中，有两个维度处于纳米尺度，而第三个维度则不受此限制，由此形成了如碳纳米管等结构。在二维纳米材料（如石墨烯）中，仅有一个维度处于纳米尺度。在三维纳米结构材料中，纳米级特征存在于所有方向，但整体物体（例如多孔泡沫）仍是宏观尺度的。与零维和二维体系相比，一维纳米材料处于一个中间范畴：它们在径向上保持了强限域效应和大比表面积，同时在轴向上支持长程的、近乎类似块体材料的传输特性。这种组合在需要定向传导或导向的应用中尤其有利，例如在互连线、波导和定向生物支架等领域。

一维纳米材料的常见类型

尽管其化学组成和制备方法差异很大，但以下几种结构模式反复出现：

纳米线 

纳米线是实心丝状结构，直径小至一至两纳米，大至数百纳米，其长度通常可达数十微米。它们可通过气相法（例如气-液-固机制）生长，也可通过溶液法合成。基于硅、锗、砷化镓、磷化铟和氮化镓的半导体纳米线，以及氧化物和金属纳米线，已被用作纳米级晶体管、发光器、传感器和互连线。

纳米管

纳米管是中空的一维结构，物质集中在圆柱形管壁上。

除碳纳米管外，无机纳米管（如二氧化钛、氧化锌和层状二硫属化物纳米管）构成了一个丰富的家族。二氧化钛纳米管通常通过钛的自组织阳极氧化法制备，常具有均匀的直径、可控的长度和垂直排列的特点，使其在光电化学器件、光催化和电化学储能领域极具吸引力。

纳米棒和纳米纤维

纳米棒是短而细长的晶体，通常通过使用形状导向配体的溶液法获得。纳米纤维通常指通过静电纺丝技术生成的更长、更柔韧的丝状物，原料可以是聚合物、陶瓷或复合材料。静电纺丝法制备的氧化物、碳和聚合物纳米纤维，兼具高比表面积、可调控孔隙率和机械强度，被广泛用于过滤、催化、电池和组织工程领域。

拓扑及复杂一维结构

更近期的进展包括基于拓扑绝缘体或半金属的一维纳米材料，以及核壳或中空多孔结构。例如，热机械外延技术能够制备晶圆级、具有极高长径比的单晶拓扑纳米线阵列，为量子输运和自旋电子学领域开启了新的可能性。

特性与应用领域

一维纳米材料的实用性源于其一系列独特性质，这些性质直接转化为多样化的应用。

其高长径比导致了各向异性的传输特性，为电荷和热量沿轴向提供了高效传输路径，而横向传输则受到限制；因此，单晶纳米线可作为近乎理想的导电通道，用于高迁移率晶体管、纳米级互连线和热电元件。其大的比表面积增强了催化、吸附和界面电荷转移能力，这在能源器件中尤为宝贵，纳米线、纳米管和纳米纤维电极能够改善反应动力学，并实现电池、超级电容器和燃料电池中快速的离子嵌入。径向约束和强烈的光-物质相互作用赋予了一维纳米材料可调谐的光学响应，使得半导体纳米线能够在纳米级激光器、光电探测器和太阳能电池中充当光学谐振腔或波导，轴向或径向的成分梯度还允许在单一结构内进行能带工程。许多一维纳米材料还将机械柔韧性与高拉伸强度相结合，使得纳米线、纳米管或纳米纤维网络能够形成顺应性好、具有电学功能的薄膜，用于柔性电子器件和可拉伸传感器。其细长的形貌与纤维状的细胞外基质高度相似，定向排列的纳米纤维支架在生物医学应用中能够引导细胞的定向、迁移和分化，特别是当它们的表面被肽、生长因子或药物功能化以增加生化信号时。

最后，对于磁性或高介电常数组分的材料，其一维几何形状增强了界面极化和磁各向异性，这对于电磁干扰屏蔽和微波吸收至关重要。在这些应用中，复杂一维网络中的阻抗匹配和多重散射能够实现高效的宽带衰减。

参考文献和延伸阅读

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本文来自https://www.azonano.com/What are One-Dimensional Nanomaterials? By Atif Suhail