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ナノ粒子または超微粒子は、直径が1～100ナノメートル（nm）の物質の粒子です。[1] [2]この用語は、500 nmまでのより大きな粒子、または2方向のみで100 nm未満の繊維やチューブに使用されることもあります。[2] : 394 最も小さい範囲では、1 nm未満の金属粒子は通常、原子クラスターと呼ばれます。
ナノ粒子は、マイクロ粒子（1〜1000μm）、「微粒子」（100〜2500nmのサイズ）、「粗粒子」（2500〜10,000nmの範囲）とは区別されます。これは、ナノ粒子のサイズが小さいため、コロイド特性や超高速光学効果[3] 、または電気特性[4]など、物理的または化学的特性が大きく異なるためです。
ブラウン運動の影響を受けやすいため、コロイド粒子のように沈降することは通常ありません。コロイド粒子は通常、1～1000 nm の範囲であると理解されています。
ナノ粒子は可視光の波長（400～700 nm）よりもはるかに小さいため、通常の光学顕微鏡では見ることができず、電子顕微鏡またはレーザー顕微鏡を使用する必要があります。同じ理由で、透明媒体中のナノ粒子の分散液は透明になることがあります[5]が、より大きな粒子の懸濁液は通常、入射する可視光の一部またはすべてを散乱させます。ナノ粒子は、一般的なセラミックキャンドルなどの一般的なフィルターも簡単に通過するため[6]、液体からの分離には特別なナノ濾過技術が必要です。
ナノ粒子の特性は、同じ物質のより大きな粒子の特性とは著しく異なることがよくあります。原子の典型的な直径は0.15 ～ 0.6 nm であるため、ナノ粒子の材料の大部分は表面から原子数個分の範囲内にあります。したがって、その表面層の特性がバルク材料の特性よりも優位になる可能性があります。この効果は、異なる組成の媒体に分散されたナノ粒子の場合に特に顕著であり、界面における 2 つの材料間の相互作用も重要になります。[7]
ナノ粒子は自然界に広く存在し、化学、物理学、地質学、生物学など多くの科学分野で研究対象となっています。ナノ粒子はバルク材料と原子または分子構造の境界にあるため、どちらのスケールでも観察されない現象がよく見られます。ナノ粒子は大気汚染の重要な構成要素であり、塗料、プラスチック、金属、セラミック、磁気製品など多くの工業製品の主要原料です。特定の特性を持つナノ粒子の製造は、ナノテクノロジーの一分野です。
一般的に、ナノ粒子はサイズが小さいため、バルクの粒子に比べて点欠陥の濃度が低くなりますが、 [8]高解像度の電子顕微鏡を使用して視覚化できるさまざまな転位が存在します。[9]しかし、ナノ粒子は異なる転位メカニズムを示し、それがその独特の表面構造と相まって、バルク材料とは異なる機械的特性をもたらします。[10] [11] [12]
非球形ナノ粒子（例えば、プリズム、立方体、棒など）は、形状依存およびサイズ依存（化学的および物理的の両方）特性（異方性）を示す。[13] [14]金（Au）、銀（Ag）、白金（Pt）の非球形ナノ粒子は、その魅力的な光学特性のために、多様な用途に利用されている。ナノプリズムの非球形形状は、高い有効断面積とコロイド溶液のより深い色を生み出す。[15]粒子形状を調整することで共鳴波長をシフトできるため、分子標識、生体分子アッセイ、微量金属検出、またはナノテクノロジー用途の分野での使用が可能になる。異方性ナノ粒子は、非偏光下で特定の吸収挙動と確率的粒子配向を示し、励起軸ごとに異なる共鳴モードを示す。[15]
定義
国際純正・応用化学連合 (IUPAC)
IUPACは2012年に提案された生物学的関連ポリマーの用語で、ナノ粒子を「1×10-9 ～ 1× 10-7mの範囲の寸法を持つあらゆる形状の粒子」と定義した。[2] : 393 この定義は1997年にIUPACによって与えられた定義から発展したものである。[16] [17]
2012年の同じ出版物で、IUPACはこの用語を100nm未満の2次元のみのチューブとファイバーを含むように拡張しました。[2] : 394
国際標準化機構 (ISO)
国際標準化機構（ISO）の技術仕様80004によれば、ナノ粒子とは、3つの外部寸法すべてがナノスケールであり、最長軸と最短軸に有意差がなく、有意差は通常少なくとも3倍である物体である。[18]
一般的な使用法
「ナノスケール」は通常、1～100 nm の範囲であると理解されています。これは、粒子をバルク材料と区別する新しい特性が、通常、そのサイズ範囲で発現するためです。
透明性や濁度、限外濾過、安定した分散などの特性については、500 nm ほどの大きさの粒子でもナノ粒子特有の大きな変化が観察されます。そのため、この用語はそのサイズ範囲まで拡張されることがあります。[要出典]
関連概念
ナノクラスターは、少なくとも1つの寸法が1～10ナノメートルで、サイズ分布が狭いナノ粒子の凝集体です。ナノパウダー[19]は、超微粒子、ナノ粒子、またはナノクラスターの凝集体です。ナノメートルサイズの単結晶、または単一ドメインの超微粒子は、しばしばナノ結晶と呼ばれます。
コロイドとナノ粒子という用語は互換性がありません。コロイドとは、ある相の粒子が別の相の中に分散または浮遊している混合物です。この用語は、粒子が原子サイズよりも大きく、ブラウン運動を示すのに十分小さい場合にのみ適用され、臨界サイズ範囲（または粒子直径）は通常、ナノメートル（10 −9 m）からマイクロメートル（10 −6 m）の範囲です。[20]コロイドにはナノ粒子としては大きすぎる粒子が含まれる場合があり、ナノ粒子は非コロイドの形態、たとえば粉末や固体マトリックスとして存在する場合があります。
歴史
自然発生
ナノ粒子は、多くの宇宙論的、[21]地質学的、[21] [22]気象 学的、生物学的プロセスによって自然に生成されます。年間数千トンの割合で地球に降り注いでいる惑星間塵のかなりの部分（質量ではなく数で）はナノ粒子の範囲にあります。 [23] [24]大気中の塵粒子についても同様です。多くのウイルスの直径はナノ粒子の範囲です。
産業革命以前の技術
ナノ粒子は、その性質を知らなくても、先史時代から職人によって使用されていました。古代ローマのリュクルゴスの二色性ガラスのカップ（紀元4世紀）やメソポタミアのラスター彩陶器（紀元9世紀）に代表されるように、ガラス職人や陶工によって使用されていました。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]後者は、ガラス質の釉薬に銀と銅のナノ粒子が分散しているのが特徴です。
19世紀
マイケル・ファラデーは、 1857 年の古典的論文で、ナノメートル スケールの金属の光学特性を初めて科学的に説明しました。その後の論文で、著者 (ターナー) は次のように指摘しています。「金や銀の薄い板をガラスの上に置き、赤熱 (~500 °C) よりはるかに低い温度に加熱すると、金属膜の連続性が破壊され、特性が著しく変化することがよく知られています。その結果、白色光が自由に透過するようになり、反射がそれに応じて減少し、電気抵抗が大幅に増加します。」[28] [29] [30]
20世紀
1970年代から80年代にかけて、米国ではグランクヴィストとバーマン[31]、日本ではERATOプロジェクト[32]によってナノ粒子に関する最初の徹底的な基礎研究が行われていたが、研究者は超微粒子という用語を使用していた。しかし、1990年代に米国で国家ナノテクノロジーイニシアチブが開始されると、ナノ粒子という用語がより一般的になった。例えば、20年後に同じ著者がサイズの対数正規分布という同じ問題を取り上げた論文を参照のこと。[33]
形態と構造
ナノ粒子は多種多様な形状をしており、ナノスフィア[34] 、ナノロッド、ナノチェーン[35]、 十面体ナノ粒子、ナノスター、ナノフラワー、ナノリーフ[36]、 ナノウィスカー、ナノファイバー、ナノボックス[ 37]など多くの名前が付けられています。
ナノ粒子の形状は、材料の固有の結晶習性によって決定される場合もあれば、コーティング添加剤による特定の面の結晶成長の阻害、前駆体調製におけるエマルジョン液滴およびミセルの形状、または周囲の固体マトリックス内の細孔の形状など、ナノ粒子の生成を取り巻く環境の影響によって決定される場合もあります。[38]ナノ粒子の用途によっては、特定の形状だけでなく、特定のサイズまたはサイズ範囲も必要になります。
非晶質粒子は、通常、球形をとります（微細構造の等方性のため）。
バリエーション
半固体およびソフトナノ粒子が製造されている。半固体のナノ粒子の原型はリポソームである。現在、さまざまな種類のリポソームナノ粒子が抗癌剤やワクチンの送達システムとして臨床的に使用されている。[要出典]
バイオポリマーをナノスケールの構成要素に分解することは、生体適合性と生分解性を高めたナノ粒子を生産する可能性のある方法であると考えられています。最も一般的な例は、木材パルプからのナノセルロースの生産です。[39]他の例としては、ナノリグニン、ナノキチン、ナノスターチなどがあります。[40]
半分が親水性で、もう半分が疎水性のナノ粒子はヤヌス粒子と呼ばれ、特にエマルジョンの安定化に効果的です。ヤヌス粒子は水/油界面で自己組織化し、ピカリング安定剤として機能します。[要出典]
N-イソプロピルアクリルアミドハイドロゲルコアシェルで作られたハイドロゲルナノ粒子は、内部に親和性ベイトで染色することができます。 [41]これらの親和性ベイトにより、ナノ粒子は不要なタンパク質を分離して除去し、標的分析物を強化します。[41]
核形成と成長
核形成の影響
核形成はナノ粒子合成の基礎を築く。初期の核は、ナノ粒子自体の鋳型核として作用することにより、最終的に形成されるナノ粒子のサイズと形状に重要な役割を果たします。長期的な安定性も初期の核形成手順によって決まります。[42]均質な核形成は、核が親相全体で均一に形成される場合に発生し、あまり一般的ではありません。一方、不均質な核形成は、容器の表面、不純物、その他の欠陥などの領域に形成されます。[43]核形成が速い場合は結晶が同時に形成され、より単分散の製品が作られることがあります。しかし、核形成速度が遅いと、様々なサイズの結晶の多分散集団が形成される可能性があります。核形成を制御することで、ナノ粒子のサイズ、分散度、相を制御できます。
ナノ粒子内の核形成と成長のプロセスは、核形成、オストワルド熟成、または2段階メカニズム-自己触媒モデルによって説明できます。[44]
核形成
1927 年に提唱されたナノ粒子形成における核形成の元々の理論は、古典的核形成理論(CNT) でした。[45]粒子サイズの変化はバースト核形成だけで説明できると考えられていました。1950 年に、Viktor LaMer はナノ粒子成長モデルの核形成の基礎として CNT を使用しました。LaMer モデルには 3 つの部分があります。1. 溶液中の自由モノマーの濃度の急速な増加、2. 粒子の爆発的な成長を特徴とするモノマーの急速な核形成、3. モノマーの拡散によって制御される粒子の成長。[46]このモデルは、核の成長は自発的であるが、核表面への前駆体の拡散によって制限されると説明しています。LaMer モデルは、現代のどのシステムでも核形成の速度論を説明できませんでした。[47] [48] [49]
オストワルド熟成
オストワルド熟成は、小さな粒子が溶解し、溶解した分子が大きな粒子の表面に沈着する結果、小さな粒子を犠牲にして大きな粒子が成長するプロセスです。これは、小さな粒子の表面エネルギーが大きい粒子よりも高いために発生します。[50]このプロセスは、ナノ粒子の機能性に悪影響を与えるため、ナノ粒子合成では通常望ましくありません。[引用が必要]
2段階メカニズム - 自己触媒モデル
1997 年、Finke と Watzky はナノ粒子の核形成と成長に関する新しい運動モデルを提案しました。この 2 段階モデルは、一定のゆっくりとした核形成 (過飽和からは程遠い状態で発生) の後に自己触媒成長が起こり、そこでナノ粒子の分散度がほぼ決定されることを示唆しています。この FW (Finke-Watzky) 2 段階モデルは、サイズ、形状、分散度制御に重点を置いたナノ粒子の設計に対するより強固な機構的基礎を提供します。[51] [52]このモデルはその後、2004 年から 2008 年の間に 3 段階モデルと 2 つの 4 段階モデルに拡張されました。ここでは、小さな粒子の凝集を考慮するための追加ステップが含まれ、2 つの小さな粒子が凝集して 1 つの大きな粒子を形成できます。[53]次に、4 番目のステップ (別の自己触媒ステップ) が追加され、小さな粒子が大きな粒子と凝集することを考慮しました。[54] [55] [56]最終的に2014年に、大きな粒子上の原子レベルの表面成長を説明する代替の第4ステップが検討されました。[57]
核形成速度の測定
2014年現在、古典的な核形成理論では、核形成速度は駆動力に対応すると説明されている。核形成速度を測定する方法の1つは、誘導時間法である。このプロセスは、核形成の確率的性質を利用し、一定の過飽和から結晶が最初に検出されるまでの時間を分析することで核形成速度を決定する。 [58]別の方法には、過冷却液体の研究に使用される方法に類似した確率分布モデルがあり、特定の時間に少なくとも1つの核が見つかる確率が導出される。[要出典]
2019年現在、核形成の初期段階と核形成に関連する速度は、マルチスケール計算モデリングによってモデル化されています。これには、改良された運動速度方程式モデルの調査と、フェーズフィールド結晶モデルを使用した密度関数の研究が含まれています。[59]
プロパティ
ナノ粒子の形態の物質の特性は、たとえマイクロメートルサイズの粒子に分割されたとしても、バルクの物質の特性とは大きく異なります。[60] [61] [62]その多くは、原子核粒子（電子、陽子、光子）の空間的閉じ込めと、これらの粒子の周囲の電場から生じます。このスケールでは、表面積と体積の比率が大きいことも重要な要素です。[14]
制御プロパティ
合成プロセスにおける初期の核形成段階は、ナノ粒子の特性に大きく影響します。例えば、核形成はナノ粒子のサイズに極めて重要です。固体形成の初期段階で臨界半径を満たす必要があり、そうでないと粒子は液相に再溶解します。[63]ナノ粒子の最終的な形状も核形成によって制御されます。核形成によって作成される可能性のある最終的な形態には、球状、立方体、針状、虫状、その他の粒子が含まれます。[64]核形成は、主に時間と温度、液相の過飽和、合成全体の環境によって制御できます。[65]
表面積と体積の比率が大きい
バルク材料（サイズが100 nmを超える）は、サイズに関係なく一定の物理的特性（熱伝導率、電気伝導率、剛性、密度、粘度など）を持つと予想されますが、ナノ粒子の場合は異なります。表面層の体積（原子の直径数個分の幅）は粒子の体積のかなりの部分を占めますが、その割合は直径が1マイクロメートル以上の粒子では重要ではありません。[要出典]言い換えれば、表面積/体積比は、バルク粒子よりもナノ粒子の特定の特性により顕著に影響を与えます。[14]
界面層
異なる組成の媒体に分散したナノ粒子の場合、各粒子の表面から数原子の直径以内にある媒体からのイオンと分子によって形成される界面層が、その化学的および物理的特性を隠したり、変化させたりする可能性があります。実際、その層は各ナノ粒子の不可欠な部分と考えることができます。[7]
溶媒親和性
ナノ粒子の懸濁液は、粒子表面と溶媒の相互作用が密度差を克服できるほど強力であるため可能であり、密度差がなければ通常は物質が液体に沈むか浮くかのどちらかになる。[要出典]
コーティング
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ナノ粒子は、粒子の材料や周囲の媒体とは異なる他の物質のコーティングを施されることが多い。たとえ分子 1 個分の厚さであっても、これらのコーティングは化学反応性、触媒活性、懸濁液中の安定性など、粒子の特性を根本的に変える可能性がある。[要出典]
表面を横切る拡散
ナノ粒子の形態の物質は表面積が大きいため、熱、分子、イオンが非常に大きな速度で粒子内外に拡散します。一方、粒子の直径が小さいため、物質全体が拡散に関して非常に短時間で均質な平衡に達します。そのため、焼結など拡散に依存する多くのプロセスは、より低い温度でより短い時間スケールで実行でき、これは触媒作用において重要になります。[要出典]
強磁性と強誘電効果
ナノ粒子の小ささは、その磁気特性や電気特性に影響を与えます。マイクロメートル単位の強磁性材料は良い例です。磁気記録媒体では磁化状態の安定性のために広く使用されていますが、10nm未満の粒子は不安定で、常温での熱エネルギーの結果として状態が変化する（反転する）可能性があるため、その用途には適していません。[66]
機械的性質
ナノ結晶中の空孔濃度の低下は、転位の上昇には空孔の移動が必要であるため、転位の動きに悪影響を及ぼす可能性がある。さらに、曲率半径の大きい小さなナノ粒子に存在する表面応力により、非常に高い内部圧力が存在する。[67]これにより、粒子のサイズに反比例する格子歪みが発生し、 [68]材料の加工硬化と同様に、転位の動きが妨げられることもよく知られている。 [69]たとえば、金ナノ粒子はバルク材料よりも大幅に硬い。 [70]さらに、ナノ粒子の表面積と体積の比率が高いため、転位が粒子表面と相互作用する可能性が高くなります。特に、これは転位源の性質に影響を及ぼし、転位が増殖する前に粒子から逃げることを可能にし、転位密度を減らして塑性変形の程度を減らします。[71] [72]
ナノスケールでの機械的特性の測定には、万能試験機などの従来の手段を使用できないという特有の課題があります。その結果、既存の電子顕微鏡や走査プローブ法を補完するナノインデンテーションなどの新しい技術が開発されました。[73]原子間力顕微鏡（AFM）を使用してナノインデンテーションを実行し、硬度、弾性率、ナノ粒子と基板間の接着力を測定できます。 [74]粒子の変形は、サンプル上のカンチレバーの先端のたわみによって測定できます。結果として得られる力-変位曲線を使用して、弾性率を計算できます。[75]ただし、粒子サイズとインデンテーションの深さが、AFMで測定されたナノ粒子の弾性率に影響を与えるかどうかは不明です。[75]
接着力と摩擦力は、ナノファブリケーション、潤滑、デバイス設計、コロイド安定化、および薬物送達において重要な考慮事項です。[74]毛細管力は、周囲条件下での接着力の主な要因です。[76] AFMチップをナノ粒子と見なすと、カンチレバーのたわみから接着力と摩擦力を得ることができます。ただし、この方法はチップの材料と幾何学的形状によって制限されます。[77]コロイドプローブ技術は、ナノ粒子をAFMチップに取り付けることでこれらの問題を克服し、サイズ、形状、および材料を制御できます。[78]コロイドプローブ技術は接着力を測定するための効果的な方法ですが、1ミクロン未満の単一のナノ粒子をAFM力センサーに取り付けることは依然として困難です。[78]
もう一つの技術は、刺激に対するナノ構造の応答をリアルタイムで高解像度で画像化するin situ TEMである。例えば、TEMのin situ力プローブホルダーは、双晶ナノ粒子を圧縮し、降伏強度を特徴付けるために使用された。[79]一般に、ナノ粒子の機械的特性の測定は、ナノ粒子の均一な分散、荷重の正確な適用、粒子の最小変形、較正、計算モデルなど、多くの要因によって影響を受ける。[74]
バルク材料と同様に、ナノ粒子の特性は材料に依存します。球状ポリマーナノ粒子の場合、ガラス転移温度と結晶化度が変形に影響し、バルク材料と比較して弾性率が変化する可能性があります。[74]しかし、弾性率のサイズ依存挙動は、ポリマー間で一般化できませんでした。 [ 74]結晶性金属ナノ粒子に関しては、転位がナノ粒子の機械的特性に影響を及ぼすことがわかり、結晶性ナノ粒子には転位が存在しないという従来の見解と矛盾しています。[74]
融点降下
ナノ粒子の形態では、物質の融点はバルクの形態よりも低くなることがあります。例えば、2.5nmの金ナノ粒子は約300℃で溶けますが、バルクの金は1064℃で溶けます。[80]
量子力学の影響
量子力学効果はナノスケールの物体では顕著になります。[81]半導体粒子の量子閉じ込め、一部の金属粒子の局在表面プラズモン[81]、磁性材料の超常磁性などが含まれます。量子ドットは、量子化された電子エネルギーレベルを持つのに十分小さい（通常10nm以下）半導体材料のナノ粒子です。[要出典]
金やシリコンのナノパウダーやナノ粒子懸濁液の深紅から黒の色は量子効果によるものです。 [80]ナノ粒子で構成された材料は、連続したシート状の材料の薄膜よりも太陽放射の吸収がはるかに高くなります。太陽光発電と太陽熱発電の両方の用途において、粒子のサイズ、形状、材料を制御することで、太陽光の吸収を制御することができます。[82] [83] [84] [85]
コアシェルナノ粒子は、電気共鳴と磁気共鳴の両方を同時にサポートすることができ、共鳴が適切に設計されていれば、裸の金属ナノ粒子と比較してまったく新しい特性を示します。[86] [87] [88] 2つの異なる金属からコアシェル構造を形成することで、コアとシェルの間でエネルギー交換が可能になり、アップコンバーティングナノ粒子とダウンコンバーティングナノ粒子に典型的に見られ、発光波長スペクトルのシフトを引き起こします。[89]
プラズモニックコア（金属）-シェル（誘電体）ナノ粒子は、誘電体層を導入することで散乱を増加させ、光吸収を高めます。最近、金属コア-誘電体シェルナノ粒子は、表面プラズモンが太陽電池の前にある場合、シリコン基板上で後方散乱がゼロで前方散乱が増強されることが実証されました。[90]
通常の梱包
十分に均一なサイズのナノ粒子は、自発的に規則的な配列を形成し、コロイド結晶を形成することがある。これらの配列は、フォトニック結晶で観察されるような独自の物理的特性を示すことがある。[91] [92]
生産
人工ナノ粒子は、金属、誘電体、半導体など、あらゆる固体または液体材料から作成できます。それらは、例えばコアシェル構造を持つ、内部が均質または不均質である可能性があります。[86] [87] [88] [93]
ナノ粒子を生成する方法はいくつかあり、ガス凝縮、摩擦、化学沈殿、[94] イオン注入、熱分解、水熱合成、生合成などがある。 [95]
機械
砕けやすいマクロまたはマイクロスケールの固体粒子は、ボールミル、遊星ボールミル、またはその他のサイズ縮小機構で粉砕され、十分な量がナノスケールのサイズ範囲になります。得られた粉末を空気分級してナノ粒子を抽出することができます。 [96] [97] [98]
バイオポリマーの分解
セルロース、リグニン、キチン、デンプンなどのバイオポリマーは、個々のナノスケールの構成要素に分解され、異方性の繊維状または針状のナノ粒子が得られます。バイオポリマーは、分解を促進するために化学的酸化または酵素処理と組み合わせて機械的に分解されるか、酸を使用して加水分解されます。[要出典]
熱分解
ナノ粒子を作成する別の方法は、ガス（メタンなど）やエアロゾルなどの適切な前駆物質を燃焼または熱分解によって固体粒子に変えることです。これは、炭化水素やその他の有機蒸気を燃焼させてすすを生成することを一般化したものです。従来の熱分解では、単一の一次粒子ではなく、凝集体や凝集塊が生じることがよくあります。この不便さは、前駆液体を高圧でオリフィスに押し込む超音波ノズルスプレー熱分解によって回避できます。 [要出典]
プラズマからの凝縮
純金属、酸化物、炭化物、窒化物[99]のナノ粒子は、固体前駆体を熱プラズマで気化させ、その後、適切なガスまたは液体で膨張または急冷して蒸気を凝縮することによって生成できます。プラズマは、DCジェット、電気アーク、または無線周波数（RF）誘導によって生成できます。熱プラズマは10,000 Kの温度に達することができるため、非常に高い沸点を持つナノパウダーを合成することもできます。金属ワイヤは、爆発ワイヤ法によって気化できます。
RF 誘導プラズマトーチでは、誘導コイルによって生成される電磁場を通じてプラズマへのエネルギー結合が行われます。プラズマガスは電極と接触しないため、汚染源となる可能性がなくなり、不活性、還元性、酸化性、その他の腐食性雰囲気を含むさまざまなガスでこのようなプラズマトーチを動作させることができます。動作周波数は通常 200 kHz から 40 MHz です。実験室ユニットは 30～50 kW 程度の電力レベルで動作しますが、大規模な産業用ユニットは最大 1 MW の電力レベルでテストされています。注入されたフィード液滴のプラズマ内での滞留時間は非常に短いため、液滴のサイズが十分に小さく、完全に蒸発することが重要です。[引用が必要]
不活性ガス凝縮
不活性ガス 凝縮は、金属ナノ粒子の製造によく使用されます。金属は、不活性ガスの還元雰囲気を含む真空チャンバー内で蒸発します。[100]過飽和金属蒸気の凝縮により、ナノメートルサイズの粒子が生成され、不活性ガス流に巻き込まれて基板上に堆積するか、その場で研究することができます。初期の研究は熱蒸発に基づいていました。[100]マグネトロンスパッタリングを使用して金属蒸気を生成すると、より高い収率を達成できます。[101]この方法は、適切な金属ターゲットを選択することにより、合金ナノ粒子に簡単に一般化できます。粒子が2番目の金属蒸気を通過する連続成長スキームを使用すると、コアシェル（CS）構造が成長します。[102] [103] [104] [93]
放射線分解法
ナノ粒子は、放射線化学を使用して形成することもできます。ガンマ線による放射線分解により、溶液中に強力な活性フリーラジカルが生成されます。この比較的単純な技術では、最小限の数の化学物質を使用します。これには、水、可溶性金属塩、ラジカルスカベンジャー (多くの場合、第 2 アルコール)、界面活性剤 (有機キャッピング剤) が含まれます。10 4 グレイのオーダーの高ガンマ線量が必要です。このプロセスでは、還元ラジカルが金属イオンをゼロ価状態に落とします。スカベンジャー化学物質は、金属の再酸化を防ぐために、酸化ラジカルと優先的に相互作用します。ゼロ価状態になると、金属原子は凝集して粒子になり始めます。形成中は化学界面活性剤が粒子を取り囲み、その成長を制御します。十分な濃度であれば、界面活性剤分子は粒子に付着したままになります。これにより、粒子が解離したり、他の粒子とクラスターを形成したりすることが防止されます。放射線分解法を使用してナノ粒子を形成すると、前駆体の濃度とガンマ線量を調整することで、粒子のサイズと形状を調整できます。[106]
湿式化学
特定の材料のナノ粒子は、「湿式」化学プロセスによって作成できます。このプロセスでは、適切な化合物の溶液を混合するか、その他の方法で処理して、目的の材料の不溶性沈殿物を形成します。後者の粒子のサイズは、試薬の濃度と溶液の温度を選択し、液体の粘度と拡散速度に影響を与える適切な不活性剤を追加することで調整されます。異なるパラメータを使用すると、同じ一般的なプロセスで、エアロゲルやその他の多孔質ネットワークなど、同じ材料の別のナノスケール構造が得られる場合があります。[107]
この方法で形成されたナノ粒子は、蒸発、沈降、遠心分離、洗浄、濾過の組み合わせによって、溶媒および反応の可溶性副産物から分離されます。あるいは、粒子を何らかの固体基板の表面に堆積させる場合は、出発溶液を浸漬またはスピンコーティングによってその表面に塗布し、その場で反応を行うことができます。[要出典]
無電解めっきは、高価なスピンコーティング、電着、または物理蒸着を必要とせずに、表面にナノ粒子を成長させるユニークな機会を提供します。無電解めっきプロセスは、触媒金属または金属酸化物の堆積によるコロイド懸濁液を形成できます。このプロセスから生じるナノ粒子の懸濁液はコロイドの一例です。この方法の典型的な例は、金属アルコキシドと塩化物の加水分解による金属酸化物または水酸化物ナノ粒子の生成です。[108] [5]
湿式化学法は安価で便利なだけでなく、粒子の化学組成を細かく制御することができます。有機染料や希土類金属などの微量のドーパントでも試薬溶液に導入することができ、最終製品に均一に分散されます。[109] [110]
イオン注入
イオン注入は、サファイアやシリカなどの誘電体の表面を処理して、金属または酸化物ナノ粒子の表面近傍の分散物を含む複合材料を作成するために使用されることがあります。[引用が必要]
機能化
ナノ粒子の多くの特性、特に安定性、溶解性、化学的または生物学的活性は、さまざまな物質でコーティングすることで根本的に変えることができます。このプロセスは機能化と呼ばれます。機能化されたナノ材料ベースの触媒は、多くの既知の有機反応の触媒として使用できます。[疑わしい–議論する]
例えば、グラフェン粒子の懸濁液は、没食子酸基による官能化によって安定化することができる。[111]
生物学的用途では、表面コーティングは極性で、高い水溶性を与え、ナノ粒子の凝集を防ぐ必要があります。血清中または細胞表面では、高電荷コーティングは非特異的結合を促進しますが、末端ヒドロキシル基またはメトキシ基に結合したポリエチレングリコールは非特異的相互作用をはじきます。[112] [113]ナノ粒子の表面にチオール基を固定化するか、チオマーでコーティングすることで、高い（粘液）接着性と細胞取り込み促進特性を導入できます。[114]
ナノ粒子は、アドレスタグとして機能する生物学的分子に結合して、それらを体内の特定の部位[115]、細胞内の特定の器官[116]に誘導したり、生きた細胞内の個々のタンパク質またはRNA分子の動きを具体的に追跡させたりすることができます。[117]一般的なアドレスタグは、モノクローナル抗体、アプタマー、ストレプトアビジン、またはペプチドです。これらの標的剤は、理想的にはナノ粒子に共有結合し、ナノ粒子ごとに制御された数で存在する必要があります。複数の標的基を持つ多価ナノ粒子は、受容体をクラスター化することができ、それが細胞シグナル伝達経路を活性化し、より強力なアンカーリングをもたらします。単一の結合部位を持つ一価ナノ粒子[118] [119] [120]はクラスター化を回避するため、個々のタンパク質の挙動を追跡するのに適しています。
官能基化ナノ粒子触媒の触媒活性と焼結速度はナノ粒子の数密度と相関関係にあることが示されている[121]
赤血球のコーティングを模倣することで、ナノ粒子が免疫システムを回避するのに役立ちます。[122]
均一性の要件
民間、工業、軍事分野の高性能技術部品の化学処理と合成には、高純度セラミック（酸化アルミニウムや酸化銅（II）などの酸化物セラミック）、ポリマー、ガラスセラミック、金属炭化物（SiC）、窒化物（窒化アルミニウム、窒化ケイ素）、金属（Al、Cu）、非金属（グラファイト、カーボンナノチューブ）、層状（Al +炭酸アルミニウム、Cu + C）などの複合材料の使用が必要です。微粉末から形成された凝縮体では、典型的な粉末の粒子サイズと形状が不規則なため、不均一な充填形態になり、粉末成形体の充填密度にばらつきが生じることがよくあります。[要出典]
ファンデルワールス力による制御不能な粉末凝集も、微細構造の不均一性を引き起こす可能性がある。不均一な乾燥収縮の結果として生じる差応力は、溶媒を除去する速度に直接関係しており、したがって多孔度の分布に大きく依存する。このような応力は、固化体の塑性から脆性への遷移と関連しており、解放されなければ未焼成体の亀裂伝播を引き起こす可能性がある。 [123] [124] [125]
さらに、窯に投入される成形体の充填密度の変動は、焼結プロセス中に増幅されることが多く、不均一な密度化を招きます。密度の変動に関連する一部の気孔やその他の構造欠陥は、焼結プロセスにおいて成長して最終密度を制限するという有害な役割を果たすことが示されています。不均一な密度化から生じる差応力も、内部亀裂の伝播を引き起こし、強度を制御する欠陥となることが示されています。[126] [127] [128]
不活性ガス蒸発法と不活性ガス堆積法[31] [32]は、蒸留（精製法）の性質と単結晶粒子を形成するのに十分な時間があるため、これらの欠陥の多くが発生しませんが、凝集していない堆積物でもナノ粒子に典型的な対数正規分布を示します。 [32]現代のガス蒸発技術が比較的狭いサイズ分布を生成できるのは、凝集を回避できるためです。[32]ただし、この場合でも、ドリフトと拡散の組み合わせにより、成長ゾーンでの滞留時間がランダムになり、対数正規分布のように見えるサイズ分布になります。[33]
したがって、グリーン密度を最大化する粒度分布を使用するのではなく、成分の分布と多孔性に関して物理的に均一になるように材料を処理することが望ましいと思われます。懸濁液中に強く相互作用する粒子の均一に分散した集合体を封じ込めるには、粒子間の力を完全に制御する必要があります。単分散ナノ粒子とコロイドは、この可能性を提供します。[129]
特徴づけ
ナノ粒子には、化学組成と濃度で十分な測定基準となる従来の化学物質とは異なる分析要件がある。ナノ粒子には、サイズ、形状、表面特性、結晶度、分散状態など、完全な記述のために測定しなければならない他の物理的特性がある。さらに、サンプリングや実験室手順によって、ナノ粒子の分散状態が乱れたり、他の特性の分布に偏りが生じたりする可能性がある。[130] [131]環境の文脈では、多くの方法では依然として悪影響を及ぼす可能性のある低濃度のナノ粒子を検出できないというさらなる課題がある。[130]一部の用途では、ナノ粒子は、水、土壌、食品、ポリマー、インク、化粧品などの有機液体の複雑な混合物、血液などの複雑なマトリックスで特徴付けられることがある。[132] [133]
ナノ粒子の特性評価に使用される方法には、いくつかの全体的なカテゴリがあります。顕微鏡法は、個々のナノ粒子の画像を作成し、その形状、サイズ、および位置を特性評価します。電子顕微鏡法と走査型プローブ顕微鏡法が主な方法です。ナノ粒子のサイズは可視光の回折限界を下回るため、従来の光学顕微鏡法は役に立ちません。電子顕微鏡は、元素分析を実行できる分光法と組み合わせることができます。顕微鏡法は破壊的であり、サンプルの準備や、走査型プローブ顕微鏡の場合はプローブ先端の形状から望ましくないアーティファクトが発生しやすい場合があります。さらに、顕微鏡法は単一粒子測定に基づいているため、大量の個々の粒子を特性評価して、バルク特性を推定する必要があります。[130] [132]
分光法は、粒子と電磁放射との相互作用を波長の関数として測定するもので、一部のナノ粒子の濃度、サイズ、形状を特徴付けるのに有用である。ナノ粒子には、 X線、紫外可視、赤外、核磁気共鳴分光法を使用することができる。[134] [130] [132] レーザー光、X線、または中性子散乱を使用した光散乱法は粒子サイズの決定に使用され、各方法は異なるサイズ範囲と粒子組成に適している。[130] [132]その他の方法としては、表面電荷には電気泳動、表面積にはブルナウアー・エメット・テラー法、結晶構造にはX線回折、 [130]粒子質量には質量分析法、粒子数には粒子カウンターがある。[132]クロマトグラフィー、遠心分離、濾過技術は、特性評価の前または最中にナノ粒子をサイズやその他の物理的特性によって分離するために使用することができる。[130]
健康と安全
ナノ粒子は、医学的にも環境的にも潜在的な危険性がある。[135] [136] [137] [138]これらのほとんどは、表面積と体積の比が大きいため、粒子が非常に反応性が高く、触媒的になる可能性がある。[139]また、ナノ粒子はリン脂質二重層上に凝集し[140] 、生物の細胞膜を通過すると考えられており、生物系との相互作用は比較的未知である。[141] [142]しかし、粒子サイズと細胞間凝集のため、粒子が細胞核、ゴルジ体、小胞体、またはその他の内部細胞成分に侵入する可能性は低い。[143]最近の研究では、ZnOナノ粒子がヒトの免疫細胞に及ぼす影響について調査し、細胞毒性に対する感受性のレベルがさまざまであることが明らかになった。[144]既存の医薬品のナノ改質に対する規制当局の承認を求める製薬会社が、以前の改質前の医薬品の臨床試験で得られた安全性データに依存しているのではないかという懸念がある。これにより、FDAなどの規制当局がナノ改質に特有の新しい副作用を見逃す可能性がある。[145]しかし、かなりの研究により、亜鉛ナノ粒子は体内で血流に吸収されないことが実証されている。[146]
特定の燃焼プロセスから発生する吸入可能なナノ粒子の健康への影響についても懸念が高まっている。[147] [148]前臨床調査では、吸入または注射された貴金属ナノ構造の一部は生物体内に残留しないことが実証されている。[149] [150] 2013年現在、米国環境保護庁は以下のナノ粒子の安全性を調査している。[151]
- カーボンナノチューブ：炭素材料は、車両やスポーツ用具に使用される複合材から電子部品用の集積回路まで、幅広い用途に使用されています。カーボンナノチューブなどのナノ材料と天然有機物との相互作用は、ナノ材料の凝集と沈着に大きく影響し、水生環境におけるナノ材料の輸送、変換、暴露に大きく影響します。過去の研究では、カーボンナノチューブはいくつかの毒性影響を示しており、現在のEPAの化学物質安全性研究では、さまざまな環境設定で評価される予定です。EPAの研究では、カーボンナノチューブの急性健康影響を発見し、それを予測する方法を特定するためのデータ、モデル、試験方法、ベストプラクティスが提供されます。[151]
- 酸化セリウム：ナノスケールの酸化セリウムは、電子機器、バイオメディカル用品、エネルギー、燃料添加剤に使用されています。人工酸化セリウムナノ粒子の多くの用途では、自然に環境に拡散するため、曝露のリスクが高まります。CeO 2ナノ粒子を含む燃料添加剤を使用した新しいディーゼル排出物への曝露が続いており、この新技術の環境および公衆衛生への影響は不明です。EPAの化学物質安全性研究では、ナノテクノロジーを利用したディーゼル燃料添加剤の環境、生態系、健康への影響を評価しています。[151]
- 二酸化チタン：ナノ二酸化チタンは現在多くの製品に使用されています。粒子の種類に応じて、日焼け止め、化粧品、塗料、コーティング剤に使用されています。飲料水から汚染物質を除去するための使用についても研究されています。[151]
- ナノシルバー：ナノシルバーは、細菌を除去するために繊維、衣類、食品包装、その他の素材に組み込まれています。EPAと米国消費者製品安全委員会は、特定の製品が現実のシナリオでナノサイズの銀粒子を移行するかどうかを研究しています。EPAは、子供たちが環境内でどのくらいの量のナノシルバーに接触しているかをよりよく理解するために、このテーマを調査しています。[151]
- 鉄:ナノスケールの鉄は、光学研磨や吸収性の高い鉄栄養補助食品などの「スマート流体」を含む多くの用途で研究されていますが、現在最も注目されている用途の1つは、地下水から汚染物質を除去することです。この用途は、EPAの研究によってサポートされており、米国中のいくつかの場所で試験的に使用されています。[151]
規制
2016年現在、米国環境保護庁は4年間、ナノマテリアル農薬2種類のみを条件付きで成分として登録していた。EPAはナノスケール成分と非ナノスケール成分を区別しているが、毒性の潜在的な変動に関する科学的データはほとんどない。試験プロトコルはまだ開発されていない。[152]
アプリケーション
消費者製品に使用されるナノマテリアルの最も一般的な形態であるナノ粒子には、潜在的かつ実際の用途が広範囲にわたります。以下の表は、世界市場で入手可能なさまざまな製品タイプで使用される最も一般的なナノ粒子をまとめたものです。
ナノ粒子は前臨床[153] [154]および臨床医学、物理学[155] [156] [157 ]光学[158] [159] [160]および電子工学[87] [ 83] [ 81] [84]において多くの潜在的用途があるため、ナノ粒子に関する科学的研究は熱心に行われている。米国国家ナノテクノロジー・イニシアチブは、ナノ粒子研究に重点を置いた政府資金を提供している。レーザー色素添加ポリメチルメタクリレート(PMMA) レーザー利得媒体におけるナノ粒子の使用は2003 年に実証され、変換効率の向上とレーザービームの発散の減少が示された。[161]研究者らは、ビームの発散の減少は有機無機色素添加ナノ複合材料の dn/dT 特性の向上によるものと考えている。これらの研究者らが報告した最適組成は、色素添加 PMMA 中の SiO 2 (~ 12 nm) の 30% w/w である。ナノ粒子は潜在的な薬物送達システムとして研究されている。[162]薬物、成長因子、またはその他の生体分子をナノ粒子に結合させて標的送達を助けることができる。[163]このナノ粒子支援送達により、充填された薬物の空間的および時間的制御が可能になり、最も望ましい生物学的結果を達成することができる。ナノ粒子は、例えばミネラル元素などの生物学的に活性な物質を送達するための栄養補助食品としての応用可能性についても研究されている。[164]
ポリマー強化
粘土ナノ粒子はポリマーマトリックスに組み込むと強化が進み、ガラス転移温度の上昇やその他の機械的特性試験によって確認できる強度の高いプラスチックになります。これらのナノ粒子は硬く、ポリマー（プラスチック）に特性を与えます。ナノ粒子は繊維に付着して、スマートで機能的な衣類を作るためにも使用されています。[165]
液体特性チューナー
ナノ粒子を固体または液体媒体に含めると、弾性、可塑性、粘度、圧縮性などの機械的特性が大幅に変化する可能性があります。[166] [167]
光触媒
ナノ粒子は可視光の波長よりも小さいため、可視光の波長での透明性に影響を与えることなく透明媒体に分散させることができます。この特性は、光触媒などの多くの用途で活用されています。[要出典]
道路舗装
ナノ粒子によるアスファルトの改質は、アスファルト舗装工学において、アスファルト材料の耐久性を高めるための新たな視点を提供する興味深い低コスト技術であると考えられる。[168]
バイオメディカル
ナノスケール粒子は、薬物キャリアや顕微鏡の画像造影剤としてバイオメディカル用途に使用されています。異方性ナノ粒子は生体分子検出の優れた候補です。[14]さらに、核酸送達用のナノ粒子は、多様な物理化学的特性に合わせて調整できるため、送達に関連するいくつかの欠点を克服する前例のない機会を提供し、選択的な標的化のためにあらゆる種類の生体分子/部分で容易に機能化できます。[169]
日焼け止め
二酸化チタンナノ粒子は、いわゆるセルフクリーニング効果をもたらし、塗料やその他の製品に撥水性と抗菌性を与えます。酸化亜鉛ナノ粒子は優れた紫外線遮断特性を持つことがわかっており、日焼け止めローションの製造に広く使用されています。[170]完全に光安定性があります[171]が、毒性があります。[172] [173] [174] [175] [176] [177]
工業地域別化合物
参照
- 炭素量子ドット
- セラミック工学
- コーティング
- コロイド
- コロイド結晶
- コロイド金
- コロイド促進輸送
- 固有コロイド
- 五面体または十面体ナノ粒子
- フラーレン
- セレン化ガリウム(II)
- 二十面体双子
- セレン化インジウム(III)
- リポソーム
- 磁気免疫測定
- 磁気弾性フィラメント、別名磁性ナノチェーン
- 磁性ナノ粒子
- ナノバイオテクノロジー
- ナノ結晶シリコン
- ナノ流体
- ナノジオサイエンス
- ナノマテリアル
- ナノ医療
- ナノ粒子の堆積
- ナノ粒子追跡分析
- ナノテクノロジー
- 斑状粒子
- フォトニック結晶
- プラズモン
- 白金ナノ粒子
- 量子ドット
- ナノ粒子の自己組織化
- シリコン量子ドット
- シリコン
- シルバーナノ
- ゾルゲル法
- 真菌によるナノ粒子の合成
- 透明素材
- アップコンバートナノ粒子
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- 太陽エネルギー変換に使用されるナノ粒子（ScienceDaily）。
- 「ナノ粒子: 労働衛生に関するレビュー」 RJ Aitken 他著。健康安全局研究報告書 274/2004
- 「EMERGNANO: ナノマテリアルとナノテクノロジーに関する環境、健康、安全に関する研究の完了および完了間近のレビュー」RJ Aitken 他著。
- SEADM によるナノ粒子研究用の高透過率タンデム DMA (2014 年)。
外部リンク
ウィキブックスにはナノテクノロジーに関する本があります
- Nanohedron.com のナノ粒子の画像
- ナノ粒子科学技術のあらゆる段階に関する講義 2010年8月29日アーカイブウェイバックマシン
- ENPRA –産業医学研究所が主導する人工ナノ粒子 EC FP7 プロジェクトのリスク評価