定義
IUPACは、2012年に提案した生物学的に関連する ポリマー の用語において、ナノ粒子を「1 × 10 −9 m から1 × 10 −7 mの範囲の寸法を持つ任意の形状の粒子」と定義した。[ 2 ] ： 393 [ 15 ] [ 16 ]
同じ2012年の出版物で、IUPACはこの用語を拡張し、2つの寸法のみが100 nm未満のチューブとファイバーも含むようにした。[ 2 ] ：
国際標準化機構 （ISO）の技術仕様80004によると、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、最長軸と最短軸の差が有意ではない物体であり、有意差とは通常、少なくとも3倍である。[ 17 ]
一般的な用法 「ナノスケール」とは、通常1～100nmの範囲を指すと理解されている。 なぜなら、粒子をバルク材料から区別する新たな特性は、一般的にそのサイズ範囲で発現するからである。
透明度 や濁度 、限外ろ過性 、安定分散性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る 。そのため、この用語は時にそのサイズ範囲まで拡張される。[ 2 ] ：
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 [ 18 ] 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。コロイドは、ある相の粒子が別の相の中に分散または懸濁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いが、ブラウン運動 を示すのに十分なほど小さい場合にのみ適用され、臨界サイズ範囲（または粒子径）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。 [ 19 ]コロイド には
歴史
19世紀 マイケル・ファラデーは、 1857年の古典的な論文で、ナノメートルスケールの金属の光学的特性を科学的に初めて記述しました。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。「金や銀の薄い箔をガラスに貼り付け、赤熱（約500℃）よりはるかに低い温度まで加熱すると、金属膜の連続性が破壊されるという顕著な特性変化が起こることはよく知られています。その結果、白色光が自由に透過し、反射はそれに応じて減少し、電気抵抗率は著しく増加します。」[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]
核生成と成長
核生成の影響 核生成は ナノ粒子合成の基礎を築きます。初期核は、ナノ粒子自体の鋳型核として作用することで、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。長期安定性も初期核生成手順によって決まります。[ 41 ] [ 42 ] CaCO3 結晶の形成で例示されます。[ 43 ]
ナノ粒子内部の核生成と成長のプロセスは、核生成、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 ]
核生成 ナノ粒子形成における核生成の1927年の原理論は古典的核生成理論 （CNT）であった。[ 45 ] [ 46 ] [ 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ことによって、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、小さな粒子の方が大きな粒子よりも表面エネルギーが高いために起こります。[ 50 ]
1997年、FinkeとWatzkyはナノ粒子の核生成と成長に関する新しい速度論モデルを提案した。この2段階モデルは、一定の遅い核生成（過飽和から遠く離れた場所で発生）に続いて自己触媒的成長が起こり、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た。このFW（Finke-Watzky）2段階モデルは、サイズ、形状、分散度制御に焦点を当てたナノ粒子の設計のためのより確固たるメカニズム的基盤を提供する。[ 44 ] [ 47 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
核生成速度の測定 2014年現在、古典的な核生成理論では、核生成速度は駆動力に対応すると説明されています。核生成速度を測定する方法の1つは、誘導時間法です。このプロセスでは、核生成の確率的性質を利用し、一定の過飽和状態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生成速度を決定します。[ 56 ]
2019年現在、核生成の初期段階と核生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る。これには、改良された速度方程式モデルの検討と、相場結晶モデルを使用した密度関数研究が含まれる。[ 57 ]
物件 ナノ粒子状の物質の特性は、マイクロメートルサイズの粒子に分割された場合でも、バルク物質の特性とは著しく異なります。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 13 ]
制御プロパティ 合成プロセスの初期核生成段階は、ナノ粒子の特性に大きな影響を与えます。たとえば、核生成はナノ粒子のサイズに不可欠です。固体形成の初期段階で臨界半径を満たさなければ、粒子は液相に再溶解します。[ 61 ] [ 44 ] [ 62 ]
表面積対体積比が大きい 1 kgの1 mm³の粒子は、1 mgの1 nm³ の粒子と同じ表面積を持つ。 バルク材料（ サイズが100 nmを超えるもの）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（数原子径の幅）の体積が粒子の体積のかなりの割合を占めるようになります。一方、直径が1マイクロメートル 以上の粒子では、その割合は重要ではありません。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顕著に影響を与えます。[ 13 ]
界面層 異なる組成の媒体中に分散したナノ粒子の場合、各粒子の表面から数原子径以内にある媒体中のイオンや分子によって形成される界面層は、その化学的および物理的特性を覆い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みなすことができます。[ 6 ]
表面を横切る拡散 ナノ粒子状の材料は表面積が大きいため、熱、分子、イオンが非常に速い速度で粒子内外に拡散 します。一方、粒子径が小さいため、材料全体が拡散に関して非常に短時間で均一な平衡状態に達します。したがって、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進行することができ、これは触媒作用 において重要な意味を持ちます。
強磁性効果と強誘電効果 ナノ粒子のサイズが小さいと、磁気特性や電気特性に影響が出ます。マイクロメートルサイズの強磁性材料が良い例です。 磁気記録 媒体に広く使用されていますが、磁化状態の安定性が求められるため、10 nm より小さい粒子は 不安定で、常温での熱エネルギーによって状態が変化する（反転する）可能性があり、そのためこの用途には適していません。[ 63 ]
融点降下 物質は、バルク状よりもナノ粒子状の方が融点が低い場合がある。例えば、2.5 nmの金ナノ粒子は約300 ℃で融解するのに対し、バルク金は1064 ℃で融解する。[ 77 ]
量子力学効果 量子力学 効果はナノスケールの物体で顕著になります。[ 78 ] 半導体 粒子における量子閉じ込め 、一部の金属粒子における局在表面プラズモン [ 78 ] 、および磁性 材料における超常磁性 が含まれます。量子ドットは、電子 エネルギー準位 が量子化されるほど小さい（通常10 nm以下）半導体材料のナノ粒子です。
量子効果は、金 やシリコンの ナノパウダーやナノ粒子懸濁液の濃い赤から黒色の原因です。 [ 77 ] 発電 と太陽熱の 両方の用途において、粒子のサイズ、形状、および材料を制御することで、太陽吸収を制御することが可能です。[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]
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。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ]
誘電体層を導入することで、プラズモニックコア（金属）シェル（誘電体）ナノ粒子は散乱を増加させることで光吸収を向上させます。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面にある場合、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。[ 87 ]
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。内部は均質または不均質で、例えばコアシェル構造を持つ場合があります。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 90 ]
ナノ粒子を生成する方法はいくつかあり、ガス凝縮 、摩耗 、化学沈殿 [ 91 ] イオン注入 、熱分解 、水熱合成 、生合成[ 92 ]
プラズマからの凝縮 純金属、酸化物 、炭化物 、窒化物のナノ粒子 [ 96 ] 熱プラズマ で気化させ、その後、適切な気体または液体中で膨張または急冷して蒸気を凝縮させることによって生成できます。プラズマは、直流ジェット 、電気アーク 、または高周波（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、そのため非常に高い沸点のナノ粉末を合成することもできます。金属線は、爆発ワイヤー法 によって気化させることができます。
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介し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に接触しないため、汚染源となる可能性のあるものが排除され、不活性ガス、還元性ガス、酸化性ガス、その他の腐食性ガスなど、幅広いガスで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。実験室用装置は30～50 kW程度の電力レベルで動作します が、大規模な工業用装置は最大1 MWの電力レベルでテストされています。注入された供給液滴のプラズマ内滞留時間は非常に短いため、完全な蒸発を得るためには液滴のサイズが十分に小さいことが重要です。
不活性ガスの凝縮 不活性ガス 凝縮は 、金属ナノ粒子の製造によく用いられる。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される。[ 97 ] [ 97 ] 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、より高い収率が得られる。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 90 ]
放射線分解法 a)マグネトロンスパッタリング不活性ガス凝縮法で成長させた Hf ナノ粒子の透過型電子顕微鏡(TEM) 画像 (挿入図: サイズ分布) [ 102 ] エネルギー分散型 X 線 (EDX) マッピング[ 100 ] ナノ粒子は放射線化学 を用い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って、溶液中に強力な活性を持つ フリーラジカル が生成されます。この比較的単純な手法では、最小限の化学物質を使用します。これには、水、可溶性金属塩、ラジカル捕捉剤（多くの場合、第二級アルコール）、および界面活性剤（有機キャッピング剤）が含まれます。10⁴グレイオーダーの高ガンマ線量が必要 です 。このプロセスでは、還元性ラジカルによって金属イオンがゼロ価状態になります。捕捉剤は酸化性ラジカルと優先的に相互作用し、金属の再酸化を防ぎます。ゼロ価状態になると、金属原子は凝集して粒子を形成し始めます。形成中、界面活性剤が粒子を囲み、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、他の粒子と凝集したりするのを防ぎます。放射線分解法を用いたナノ粒子の形成では、前駆体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制御できます。[ 103 ]
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生成できます。このプロセスでは、適切な化合物の溶液 を混合したり、その他の処理を施して、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たり、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添加することによって調整されます。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、同じ材料の他のナノスケール構造が得られる場合があります。[ 104 ]
この方法で生成されたナノ粒子は、蒸発 、沈殿 、遠心分離 、洗浄、ろ過 といった工程を組み合わせることで、溶媒および反応の可溶性副生成物から分離される。あるいは、粒子を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る。
無電解めっきは、 高価なスピンコーティング、電気めっき、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独自の機会を提供します。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ってコロイド懸濁液を形成できます。このプロセスから得られ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 および塩化物の 加水分解による金属 酸化物 または水酸化物 ナノ粒子の製造です。[ 105 ] [ 4 ]
湿式化学法は安価で便利であるだけでなく、粒子の化学組成を精密に制御できる。有機染料や希土類金属などのドーパントを少量でも試薬溶液に導入すると、最終製品中に均一に分散される。[ 106 ] [ 107 ]
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材料の表面を処理し、金属または酸化物ナノ粒子の表面近傍分散体を含む複合材料を作製するために使用できる。
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をはらんでいます。[ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] 触媒的 になる可能性があります。[ 136 ] [ 137 ] 、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不明です。[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] ヒト免疫細胞に対するZnO ナノ粒子の影響を調べた最近の研究では、細胞毒性 に対する感受性のレベルにばらつきがあることがわかりました。[ 141 ] [ 142 ] [ 143 ]
特定の燃焼プロセスから発生する呼吸可能なナノ粒子の健康への影響についても懸念が提起されている。[ 144 ] [ 145 ] [ 146 ] [ 147 ] 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。[ 148 ]
カーボンナノチューブ ：炭素材料は、自動車やスポーツ用品に使用される複合材料から電子部品用の集積回路まで、幅広い用途があります。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、それらの凝集と沈着の両方に強く影響し、水環境における輸送、変化、および暴露に強く影響します。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ます。EPAの研究は、カーボンナノチューブの急性健康影響を発見し、それら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、およびベストプラクティスを提供します。[ 148 ] 酸化セリウム ：ナノスケールの酸化セリウムは、電子機器、生物医学用品、エネルギー、燃料添加剤に使用されています。人工的に作られた酸化セリウムナノ粒子の多くの用途では、自然に環境中に拡散するため、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継続しており、この新しい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、および健康への影響を評価しています。[ 148 ] 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。粒子の種類によっては、日焼け止め、化粧品、塗料やコーティング剤に含まれている場合があります。また、飲料水から汚染物質を除去する用途についても研究されています。[ 148 ] 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、その他の材料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、実際の状況でナノサイズの銀粒子が移行するかどうかを調べるために、特定の製品を研究しています。EPAは、子供たちが環境中でどれだけ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、このトピックを研究しています。[ 148 ] 鉄:ナノスケールの鉄は、 光学研磨 などの用途向けの「スマート流体」や、吸収率の高い鉄栄養補助食品 など、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。EPAの研究に裏付けられたこの用途は、米国各地の多くの場所で試験的に実施されています。[ 148 ]
規制 2016年現在、米国環境保護庁は、ナノ材料農薬を成分として4年間条件付きで登録したのはわずか2種類である。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する必要がある。[ 149 ]
アプリケーション ナノ粒子は、消費者向け製品に使用されるナノ材料の中で最も一般的な形態であり、潜在的および実際の用途において非常に幅広い可能性を秘めています。以下の表は、世界の市場で入手可能な様々な製品タイプで使用されている最も一般的なナノ粒子をまとめたものです。
ナノ粒子に関する科学的研究は、前臨床[ 150 ] [ 151 ] [ 152 ] [ 153 ] [ 154[ 155 ] [ 156 ] [ 157 ] および 電子 機器 [ 84 ] [ 80 ] [ 78 ] [ 81 ] において 多く の 国家ナノテクノロジーイニシアチブは、 ナノ 粒子研究に焦点を当てた政府資金を提供している。レーザー色素をドープしたポリ(メタクリル酸メチル) (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発散の減少が示された。[ 158 ] [ 159 ] 薬物 、 因子 、またはその他の生体分子は、標的送達を助けるためにナノ粒子に結合させることができます。[ 160 ] ミネラル元素 などの生物活性物質を送達するための栄養補助食品 としての可能性についても研究されています。[ 161 ]
ポリマー強化 粘土ナノ粒子をポリマーマトリックスに組み込むと、補強効果が高まり、より高いガラス転移温度 やその他の機械的特性試験で確認できる、より強いプラスチックが得られます。これらのナノ粒子は硬く、その特性をポリマー（プラスチック）に付与します。ナノ粒子は、スマートで機能的な衣類を作るために、繊維にも付着されています。[ 162 ]
液体特性チューナー 固体または液体媒体にナノ粒子を添加すると、弾性、塑性、粘度、圧縮性などの機械的特性が大きく変化する可能性があります。[ 163 ] [ 164 ]
光触媒 ナノ粒子は可視光の波長よりも小さいため、透明な媒体中に分散させても、その波長における媒体の透明度を損なうことはありません。この特性は、光触媒 など、多くの用途で活用されています。
道路舗装 ナノ粒子によるアスファルト改質は、アスファルト舗装工学において興味深い低コスト技術であり、アスファルト材料の耐久性を高める新たな展望を提供するものと考えられる。[ 165 ]
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外部リンク Nanohedron.comに掲載されているナノ粒子の画像 ナノ粒子科学技術の全段階に関する講義（ 2010年8月29日アーカイブ、Wayback Machine に 保存） ENPRA – 人工ナノ粒子のリスク評価 EC FP7プロジェクト（産業医学研究所 主導）
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