ナノ化学

ナノ化学は、ナノスケールの材料を作成するための新しい方法の開発を扱う化学および材料科学の新興サブ分野です。^[1]「ナノ化学」という用語は、1992 年に Ozin によって初めて使用されました。「バルクから下に向かって操作するナノエンジニアリングおよびナノ物理学のアプローチとは対照的に、化学合成を使用して原子からナノ材料を再現可能に提供する」という意味です。^[2]ナノ化学は、物質の実際の生成ではなく、サイズ、表面、形状、および欠陥特性に依存する構成要素の合成を強調する固体化学に焦点を当てています。原子および分子の特性は、主に周期表の原子の自由度を扱います。ただし、ナノ化学は、溶液への変換によって材料の挙動を制御する他の自由度を導入しました。^[3]ナノスケールのオブジェクトは、主にその有限の小さなサイズの結果として、新しい材料特性を示します。ナノメートル スケールの構造に対するいくつかの化学修飾は、サイズに依存する効果を認めます。^[2]

ナノ化学は、化学、材料、物理科学のほか、工学、生物学、医療の分野でも利用されています。シリカ、金、ポリジメチルシロキサン、セレン化カドミウム、酸化鉄、炭素は、その変革力を示す材料です。ナノ化学は、酸化鉄（錆）からMRIの最も効果的な造影剤を作ることができ、癌を検出し、初期段階で殺すことができます。^[4]シリカ（ガラス）は、光を曲げたり止めたりするために使用できます。^[5]発展途上国では、病原体検出に使用される流体の回路を作るためにシリコンも使用されています。^{[6]ナノ構造合成により、構成要素が自己組織化されて機能的な構造になり、電子、}光子、医療、または生物分析の問題に役立つ可能性があります。ナノ化学の方法を使用して、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレンなどの炭素ナノ材料を作成できます。これらの材料は、近年、その優れた機械的および電気的特性により注目を集めています。^[7]

最初の科学的報告の一つは、1857年にマイケル・ファラデーが合成したコロイド金粒子である。1940年代初頭までに、沈殿シリカナノ粒子とフュームドシリカナノ粒子が、ゴム補強材用の超微粒子カーボンブラックの代替品として米国とドイツで製造・販売されていた。 ^[8]

過去20年間で、バイオメディカル用途の酸化鉄ナノ粒子は、主に非侵襲性イメージング、標的化と薬物放出の誘発、または癌治療の能力により、劇的に増加しました。幹細胞または免疫細胞は、磁気共鳴画像法（MDR）で検出できるように酸化鉄ナノ粒子でマークすることができます。ただし、MDRによる有意な検出を可能にするには、酸化鉄ナノ粒子の濃度が十分に高くなければなりません。^[4]生物系における酸化鉄ナノ粒子の物理化学的性質に関する理解が限られているため、ナノ粒子が人体に害を及ぼすことなく医療用途で特定の条件下で制御できることを保証するために、さらなる研究が必要です。^[9]

ナノテクノロジーの手法を含む新たな薬物送達法は、身体反応、特定の標的化、および無毒な代謝を改善することで有用となり得る。多くのナノテクノロジーの手法および材料は、薬物送達用に機能化することができる。理想的な材料は、制御活性化ナノ材料を使用して薬物貨物を体内に運ぶ。メソポーラスシリカナノ粒子（MSN）は、その大きな表面積と、イメージング技術下で高解像度の性能を維持しながら、さまざまな個別の変更に対する柔軟性により、研究で人気が高まっている。^[10]活性化方法はナノスケールの薬物送達分子によって大きく異なるが、最も一般的に使用される活性化方法は、特定の波長の光を使用して貨物を放出する。ナノバルブ制御貨物放出は、低強度の光とプラズモニック加熱を使用して、金分子を含むさまざまなMSNで貨物を放出する。^[11] 2光子活性化光変換器（2-NPT）は、近赤外波長の光を使用してジスルフィド結合の切断を誘発し、貨物を放出する。^[12]最近、ナノダイヤモンドは、無毒性、皮膚からの自然吸収、血液脳関門を通過する能力により、薬物送達における可能性を実証しています。

カーボンナノチューブのユニークな構造は、多くの革新的な新医療方法の発明も生み出しています。ナノレベルで医薬品が作られ、人類が病気を検出し治療する方法に革命を起こすにつれて、カーボンナノチューブは新しい検出方法^[13]や治療戦略における有力な候補になります。^[14]特に、カーボンナノチューブは洗練された生体分子に変換され、カーボンナノチューブの蛍光スペクトルの変化を通じて検出できるようになります。^[15]また、カーボンナノチューブは小さな薬物のサイズに合わせて設計され、標的細胞にエンドサイトーシスされ、送達剤になります。^[16]

細胞はナノトポグラフィーの特徴に非常に敏感であるため、組織工学における表面の最適化は移植に向けて進められてきました。適切な条件下では、慎重に作られた3次元の足場を使用して、細胞種子を人工臓器の成長に向けます。3Dの足場には、最適で適切な機能性のために環境を制御するさまざまなナノスケールの要素が組み込まれています。^{[17]この足場は、} in vitro で生体内の 細胞外マトリックス の類似物であり、 in vitro で必要な複雑な生物学的要素を提供することで人工臓器の成長を成功させます。

擦り傷や傷に対して、ナノ化学は治癒過程の改善に応用できることが実証されている。電界紡糸は組織工学で生物学的に使用される重合法であるが、創傷被覆材や薬物送達にも使用できる。これにより、制御された環境下で細胞増殖や抗菌性を促進するナノファイバーが生成される。 ^[18]これらの特性は巨視的には現れるが、ナノスケールバージョンではナノトポグラフィー特性により効率が向上する可能性がある。ナノファイバーと傷の間の標的界面は表面積相互作用が高く、生体内で有利である。^{[19]特定の}銀ナノ粒子が一部のウイルスや細菌の抑制に有効であるという証拠がある。^[20]

日焼け止め、保湿剤、デオドラントなどの特定の化粧品の材料は、ナノ化学の使用から潜在的な利点を得る可能性があります。メーカーは、オイルナノエマルジョンを促進することで、さまざまな化粧品の効果を高めることに取り組んでいます。^[21]これらの粒子は、老化に伴うしわ、乾燥、弾力のない肌の管理の限界を広げました。日焼け止めでは、二酸化チタンと酸化亜鉛のナノ粒子が効果的な紫外線フィルターであることが証明されていますが、皮膚を貫通することもできます。^{[22]これらの化学物質は、光を吸収または反射することで有害な}紫外線から肌を保護し、ナノ粒子内の電子の光励起によって肌が完全にダメージを受けないようにします。 ^[23]

科学者たちは、気相および溶液相戦略を使用して、長さ、直径、ドーピング、および表面構造を制御した多数のナノワイヤ組成物を考案しました。これらの配向された単結晶は、ダイオード、トランジスタ、論理回路、レーザー、センサーなどの半導体ナノワイヤデバイスで使用されています。ナノワイヤは1次元構造であるため、表面積と体積の比率が大きく、拡散抵抗が低下します。さらに、量子閉じ込め効果による電子輸送の効率により、電気的特性はわずかな摂動の影響を受けます。^{[24]したがって、これらのナノワイヤを}ナノセンサー要素で使用すると、電極応答の感度が向上します。前述のように、半導体ナノワイヤの1次元性と化学的柔軟性により、ナノレーザーに適用できます。 Peidong Yangと彼の同僚は、ナノレーザーで使用される室温紫外線ナノワイヤについていくつかの研究を行いました。彼らは、短波長ナノレーザーの使用は、光コンピューティング、情報ストレージ、およびマイクロ分析などのさまざまな分野で応用できると結論付けました。^[25]

ナノ酵素（またはナノザイム）はサイズが小さい（1～100 nm）ため、独自の光学的、磁気的、電子的、触媒的特性を持っています。^[26]さらに、ナノ粒子の表面機能性の制御とこれらの小型酵素の予測可能なナノ構造により、特定の用途のニーズを満たす複雑な構造を表面に作り出すことができます。^[27]

蛍光ナノ粒子は非常に需要があります。その用途は広範囲にわたりますが、マクロなアレイで使用することで、プラズモニクス、フォトニクス、量子通信の用途で効率よく使用できます。ナノ粒子アレイ、特に金ナノ粒子を組み立てる方法は多数ありますが、それらは基板に弱く結合する傾向があるため、湿式化学処理ステップやリソグラフィーには使用できません。ナノダイヤモンドを使用すると、アクセスの可変性が向上し、その後プラズモニック導波路を結合して量子プラズモニック回路を実現できます。

ナノダイヤモンドは、マスクフリーの電子ビーム誘起位置検出技術を使用してアミン基を追加することで、1 段階で作成されたナノスケールの炭素質シードを使用して合成できます。これにより、ナノダイヤモンドがアレイに組み立てられます。ナノダイヤモンド表面にダングリングボンドが存在するため、さまざまなリガンドで機能化できます。これらのナノダイヤモンドの表面はカルボン酸基で終端されているため、カルボジイミドカップリング化学によってアミン末端表面への結合が可能です。^{[28]このプロセスでは、EDC の存在下でアモルファスカーボンとナノダイヤモンド表面の}アミンとカルボキシル官能基間の共有結合に依存して高い収率が得られます。したがって、金ナノ粒子とは異なり、多くのデバイス用途で処理および処理に耐えることができます。

ナノダイヤモンドの蛍光特性は、窒素空孔（NV）中心、つまり空孔の隣にある窒素原子の存在によって生じます。蛍光ナノダイヤモンド（FND）は2005年に発明され、それ以来さまざまな研究分野で使用されてきました。 ^[29]この発明は、2008年に米国特許を取得しました。米国7326837 B2、Chau-Chung Han、Huan-Cheng Chang、Shen-Chung Lee他、「結晶性ダイヤモンド粒子の臨床応用」、2008年2月5日発行、台北（TW）の中央研究院に譲渡 、その後2012年に特許を取得しました。 Wunshian Fann および Chau-Chung Han、「発光ダイヤモンド粒子」、2012 年 5 月 1 日発行、台北 (TW) の中央研究院に所属。NV 中心は、ナノダイヤモンドに高エネルギー粒子 (電子、陽子、ヘリウムイオン) を照射し、その後 600～800°C で真空アニールすることで生成できます。照射によりダイヤモンド構造内にワクチンが形成され、真空アニールによりこれらの空孔が移動し、ナノダイヤモンド内の窒素原子に捕捉されます。このプロセスにより、2 種類の NV 中心が生成されます。中性 (NV0) と負に帯電した (NV–) の 2 種類の NV 中心が形成され、これらは異なる発光スペクトルを持ちます。NV– 中心は、光ポンピングによりスピン偏極し、電子常磁性共鳴を使用して操作できるS = 1 スピン基底状態を持つため、特に興味深いものです。^{[30]蛍光ナノダイヤモンドは、半導体}量子ドットの利点（小さなサイズ、高い光安定性、明るい多色蛍光）と生体適合性、非毒性、豊富な表面化学特性を兼ね備えており、生体内イメージングアプリケーションに革命をもたらす可能性があります。^[31] 

ナノダイヤモンドは自己組織化が可能で、さまざまな小分子、タンパク質、抗体、治療薬、核酸がその表面に結合できるため、薬物送達、タンパク質模倣、外科用インプラントが可能になります。その他の潜在的な生物医学的用途としては、固相ペプチド合成のサポート、解毒および分離用の吸着剤としてのナノダイヤモンドの使用、生物医学的イメージング用の蛍光ナノダイヤモンドがあります。ナノダイヤモンドは、生体適合性、さまざまな治療薬の運搬能力、水中での分散性と拡張性、標的療法の可能性など、薬物送達プラットフォームに必要なすべての特性を備えています。ナノダイヤモンドの小さなサイズ、安定したコア、豊富な表面化学、自己組織化能力、および低い細胞毒性から、球状タンパク質の模倣に使用できるのではないかという提案がなされています。ナノダイヤモンドは、主に全身的な薬物送達のための潜在的な注射治療薬として研究されてきましたが、パリレンナノダイヤモンド複合フィルムは、2日から1か月間の期間にわたって薬物を局所的に持続的に放出するために使用できることも示されています。^[32]

ナノリソグラフィーは、材料をパターン化し、ナノスケールでデバイスを構築する技術です。ナノリソグラフィーは、さまざまなナノファブリケーションの目的で、薄膜堆積、自己組織化、自己組織化技術と組み合わせて使用​​されることがよくあります。コンピューターの半導体チップなど、多くの実用的なアプリケーションでナノリソグラフィーが使用されています。ナノリソグラフィーには、次のような多くの種類があります。

• フォトリソグラフィー
• 電子ビームリソグラフィー
• X線リソグラフィー
• 極端紫外線リソグラフィー
• 光結合ナノリソグラフィー
• 走査プローブ顕微鏡
• ナノインプリントリソグラフィー
• ディップペンナノリソグラフィー
• ソフトリソグラフィー

各ナノリソグラフィー技術には、解像度、時間消費、コストというさまざまな要素があります。ナノリソグラフィーで使用される基本的な方法は 3 つあります。1 つは、フォトレジストと呼ばれる「マスク」として機能するレジスト材料を使用して、表面の滑らかにしたい部分を覆い、保護する方法です。保護材料がステンシルとして機能し、覆われていない部分はエッチングで除去できます。2 つ目の方法は、目的のパターンを直接彫り込む方法です。エッチングには、電子や光などの量子粒子のビーム、または酸化や自己組織化単分子膜などの化学的方法が使用されます。3 つ目の方法は、目的のパターンを表面に直接配置し、最終的に元の表面よりも数ナノメートル厚い最終製品を生成します。製造する表面を視覚化するには、走査型プローブ顕微鏡と原子間力顕微鏡を含むナノ解像度顕微鏡で表面を視覚化する必要があります。両方の顕微鏡を使用して、最終製品の処理を行うこともできます。

フォトレジストは光に敏感な材料で、ポリマー、増感剤、溶剤から構成されています。各要素には特定の機能があります。ポリマーは放射線にさらされると構造が変化します。溶剤によりフォトレジストが回転し、ウェーハ表面に薄い層を形成します。最後に、増感剤または阻害剤がポリマー相での光化学反応を制御します。^[33]

フォトレジストはポジ型とネガ型に分類できます。ポジ型フォトレジストでは、露光中に起こる光化学反応によってポリマーが弱まり、現像液への溶解性が高まるため、ポジ型パターンが得られます。したがって、マスクには、後続の処理のためのステンシルとして、ウェーハ上に残るパターンの正確なコピーが含まれています。ネガ型フォトレジストの場合、光にさらすとフォトレジストが重合するため、露光された基板の表面にネガ型レジストが残り、現像液は露光されていない領域のみを除去します。ネガ型フォトレジストに使用されるマスクには、転写されるパターンの反転または写真の「ネガ」が含まれています。ネガ型フォトレジストとポジ型フォトレジストにはそれぞれ独自の利点があります。ネガ型フォトレジストの利点は、シリコンへの接着性、コストの低さ、処理時間の短縮です。ポジ型フォトレジストの利点は、解像度と熱安定性に優れています。^[33]

単分散のナノメートルサイズのクラスター（ナノクラスターとも呼ばれる）は、量子閉じ込め効果によってサイズと構造が特性に影響を与える人工的に成長した結晶です。これらの結晶を成長させる方法の1つは、非水溶媒中の逆ミセルケージを使用することです。^[34] MoS ₂ナノクラスターの光学特性に関する研究では、それらをバルク結晶と比較し、その吸光スペクトルを分析しました。分析により、バルク結晶による吸光スペクトルのサイズ依存性は連続的であるのに対し、ナノクラスターの吸光スペクトルは離散的なエネルギーレベルをとることが明らかになりました。これは、報告されているクラスターのサイズが4.5～3.0 nmの場合に、固体のような挙動から分子のような挙動に変化することを示している。^[34]

ナノクラスターの磁気特性は、磁気記録、磁性流体、永久磁石、触媒への応用が期待されているため、注目されています。Feクラスターの分析では、クラスター内の強い磁気相互作用により、強磁性または超常磁性挙動と一致する挙動が示されています。 ^[34]

ナノクラスターの誘電特性は、触媒、光触媒、マイクロコンデンサ、マイクロエレクトロニクス、非線形光学への応用が期待されるため、注目されている。^[35]

ナノ熱力学の考え方は、1960年にTLヒルによって最初に提唱され、小さなサイズによる特性の微分形式と積分形式の違いを理論化した。ナノ粒子のサイズ、形状、環境は、ナノ特性とマクロ特性の間のべき乗法則、つまり比例性に影響を与える。マクロからナノへの移行により、比例性は指数からべき乗に変化する。^[36]したがって、ナノ熱力学と統計力学の理論は概念的に関連している。^[37]

ナノ化学の発展に貢献したとされる研究者は数人いる。トロント大学のジェフリー・A・オジンは、このテーマについて45年にわたる研究により、「ナノ化学の創始者」の一人として知られている。^{[38]この研究には、マトリックス分離レーザーラマン分光法、裸の金属クラスター化学と}光化学、ナノ多孔質材料、ハイブリッドナノ材料、メソスコピック材料、極薄無機ナノワイヤの研究が含まれる。^[39]

ナノ化学の先駆者の一人とみなされているもう一人の化学者は、ハーバード大学のチャールズ・M・リーバーです。彼は、特に生物学と医学の分野でナノスケール技術の開発に貢献したことで知られています。^[40]この技術には、優れた電気的、光学的、機械的、熱的特性を示し、潜在的に生物学的センサーとして使用できる新しいクラスの準一次元材料であるナノワイヤが含まれます。リーバーの研究では、脳活動をマッピングするナノワイヤの使用が詳しく調べられました。^[41]

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の教授であるシモン・ワイスは、生物学的標識のための量子ドットのサブクラスである蛍光半導体ナノ結晶の研究で知られています。^[42]

カリフォルニア大学バークレー校のポール・アリビサトスも、ナノ結晶の製造と利用に関する研究で有名です。この研究は、核形成、陽イオン交換、分岐などの小粒子のメカニズムに関する洞察を深める可能性があります。これらの結晶の注目すべき応用は、量子ドットの開発です。^[43]

カリフォルニア大学バークレー校のもう一人の研究者であるヤン・ペイドンも、1次元ナノ構造の開発への貢献で有名である。ヤングループは、ナノワイヤフォトニクス、ナノワイヤベースの太陽電池、太陽光から燃料への変換のためのナノワイヤ、ナノワイヤ熱電、ナノワイヤセルインターフェース、ナノ結晶触媒、ナノチューブナノ流体工学、プラズモニクスの分野で活発な研究プロジェクトを行っている。^[44]

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