ナノ粒子の自己組織化

ナノ粒子は、その寸法の少なくとも 1 つが 1～100 ナノメートル(nm) の範囲にあるものとして分類されます。^[2]ナノ粒子はサイズが小さいため、マクロスケールでは不可能な独自の特性を持つことができます。自己組織化とは、より小さなサブユニットが自発的に組織化されて、より大きく整然としたパターンを形成することです。^[3]ナノ粒子の場合、この自発的な組織化は、熱力学的平衡を達成し、システムの自由エネルギーを低下させることを目的とした粒子間の相互作用の結果です。自己組織化の熱力学的な定義は、Nicholas A. Kotov教授によって導入されました。彼は、自己組織化を、システムのコンポーネントが互いに対して、またシステムの境界に対して非ランダムな空間分布を獲得するプロセスであると説明しています。^[4]この定義により、自己組織化プロセスで発生する質量とエネルギーのフラックスを説明できます。

このプロセスは、静的または動的自己組織化の形で、あらゆるサイズのスケールで発生します。静的自己組織化は、ナノ粒子間の相互作用を利用して自由エネルギーの最小値を実現します。溶液では、これは分子のランダムな動きと分子同士の結合部位の親和性の結果です。動的システムは、引力と反発力のバランスをとるために、継続的な外部エネルギー源をシステムに供給することで、平衡に達しないようにします。磁場、電場、超音波場、光場などはすべて、小規模のロボット群をプログラムするための外部エネルギー源として使用されています。静的自己組織化は、粒子間のランダムな化学相互作用に依存するため、動的自己組織化に比べて大幅に遅くなります。^[5]

自己組織化には2つの方法があります。1つ目は、相互作用の方向性を変えたり、粒子の形状を変えたりすることを含む、固有の特性を操作することです。2つ目は、外部操作によるもので、数種類のフィールドの効果を適用して組み合わせ、構成要素を操作して意図した動作をさせます。^[6]これを正しく行うには、非常に高いレベルの指示と制御が必要であり、分子と分子クラスターを正確で所定の構造に組織化するシンプルで効率的な方法を開発することが重要です。^[7]

1959 年、物理学者リチャード ファインマンは、アメリカ物理学会で「底には十分な余地がある」と題する講演を行いました 。彼は、「原子を 1 つずつ、思い通りに配置できる」世界を想像しました。このアイデアは、構成要素が相互作用して制御可能な方法で高次の構造を形成する、ボトムアップ合成アプローチの基盤を築きました。ナノ粒子の自己組織化の研究は、原子と分子のいくつかの特性により、それらがパターンに自己組織化できるという認識から始まりました。ナノ粒子の自己組織化が役立つ可能性のあるアプリケーションは多岐にわたります。たとえば、センサーやコンピューター チップの構築などです。

意味

自己組織化とは、個々の物質単位が自発的に会合して、最小限の外部指示で、定義された組織化された構造またはより大きな単位を形成するプロセスとして定義されます。自己組織化は、有機および無機ナノ構造の両方で優れた品質を実現するための非常に有用な技術として認識されています。

ジョージ・M・ホワイトサイドによると、「自己組織化とは、人間の介入なしに、構成要素がパターンや構造に自律的に組織化されることである」^[8]。セルジュ・パラシンとルノー・デマドリルによる別の定義は、「自己組織化とは、選択的な結合力によって、ランダムに動く別個の物体を定義された形状にまとめる、自発的かつ可逆的なプロセスである」^{[9]である。}

重要性

サイエンス誌の創刊125周年を記念して、科学者に解決すべき25の緊急の質問が出されたが、化学に関連するのは「化学的自己組織化をどこまで推し進めることができるか」だけだった^[10]。自己組織化は多種多様なナノ構造を構築するための唯一のアプローチであるため、複雑さを増す必要性が高まっている。自然から学び、非共有結合でナノワールドを構築するには、この分野でのさらなる研究が必要である。ナノ材料の自己組織化は、その単純さ、汎用性、自発性から、現在、ナノ構造化とナノ製造に広く考慮されている。^[11]ナノアセンブリの特性を活用することは、広範囲の科学技術アプリケーションのための低コストで高収率の技術として有望であり、ナノテクノロジー、分子ロボット工学、分子計算における重要な研究努力である。^[12]製造における自己組織化の利点の概要は以下のとおりである。

• 自己組織化は、短期間で多数のコンポーネントを処理できるスケーラブルな並列プロセスです。
• ナノスケールからマクロスケールまで、桁違いの構造寸法を実現できます。
• 限られたリソースを大量に消費することが多いトップダウンのアセンブリ アプローチに比べて、比較的安価です。
• 自己組織化を促す自然のプロセスは、再現性が非常に高い傾向がある。生命の存在は、自己組織化の再現性に大きく依存している。^[13]

課題

自己組織化には、さまざまな競合要因により、いくつかの未解決の課題が存在します。^[14]  現在、自己組織化を大規模に制御することは困難であり、広く適用するには、これらの規模での高い再現性を確保する必要があります。自己組織化の基本的な熱力学的および運動学的メカニズムは十分に理解されていません。原子レベルおよびマクロレベルのプロセスの基本原理は、ナノ構造のものと大きく異なる場合があります。熱運動と毛細管現象に関連する概念は、自己組織化システムでは明確に定義されていない平衡時間スケールと運動速度に影響を与えます。

トップダウンとボトムアップの統合

トップダウンアプローチはシステムを小さなコンポーネントに分解するのに対し、ボトムアップはサブシステムをより大きなシステムに組み立てる。^[15]ナノアセンブリのボトムアップアプローチは、トップダウン合成が高価（外部作業が必要）で非常に小さな長さスケールで選択的ではないが、現在工業製造の主なモードであるため、ナノファブリケーションの主な研究対象となっている。一般に、トップダウン製品の最大解像度はボトムアップのものよりもはるかに粗いため、自己組織化の原理によって「ボトムアップ」と「トップダウン」をつなぐアクセス可能な戦略を実現できる。^[11]局所的な分子間力を制御して最低エネルギー構成を見つけることで、テンプレートによって自己組織化を誘導し、現在トップダウンアプローチによって製造されているものと同様の構造を生成することができる。このいわゆるブリッジングにより、ボトムアップ法の微細解像度とトップダウンプロセスのより広範囲で任意の構造を持つ材料の製造が可能になる。さらに、場合によってはコンポーネントがトップダウン合成には小さすぎるため、これらの新しい構造を実現するには自己組織化の原理が必要になります。

分類

ナノ構造は、サイズ、機能、構造に基づいてグループに編成できます。この編成は、分野の可能性を定義するのに役立ちます。

サイズ別

現在利用可能な、より洗練され構造的に複雑なナノ構造の 1 つに有機高分子があります。その組み立ては、原子レベルの精度で分子構造または拡張構造に原子を配置することに依存しています。現在、有機化合物は導体、半導体、絶縁体になり得ることが分かっています。したがって、ナノ材料科学の主な機会の 1 つは、有機合成と分子設計を使用して電子的に有用な構造を作成することです。これらのシステムの構造モチーフには、1 ～ 100 nm 程度のコロイド、小さな結晶、凝集体が含まれます。

機能別

ナノ構造材料は、ナノエレクトロニクスや情報技術 (IT) など、機能に応じて分類することもできます。情報ストレージで使用される横方向の寸法は、製造技術の向上に伴い、マイクロスケールからナノスケールへと縮小しています。光は電子的方法に比べてストレージと伝送に多くの利点があるため、小型情報ストレージの開発には光学材料が重要です。量子ドット (最も一般的には直径が数十 nm で表面保護コーティングが施された CdSe ナノ粒子) は、サイズが制御パラメータとなり、可視スペクトルの広い範囲で蛍光を発する能力が注目されています。

構造別

特定の構造クラスは、特にナノサイエンスに関連しています。構造の寸法が小さくなるにつれて、表面積と体積の比率が増加します。分子と同様に、十分に小さいスケールのナノ構造は、本質的に「すべて表面」です。材料の機械的特性は、これらの表面構造に大きく影響されます。破壊強度と特性、延性、およびさまざまな機械的係数はすべて、さまざまなスケールの材料のサブ構造に依存します。^[16]設計によってナノ構造化された材料の科学を再開発する機会は、広く開かれています。

自己組織化は平衡プロセスであり、すなわち個々の成分と集合した成分は平衡状態で存在する。^[17]さらに、柔軟性と低い自由エネルギー構造は、通常、自己組織化した分子間の分子間力が弱い結果であり、本質的にエンタルピー的性質である。

自己組織化プロセスの熱力学は、単純なギブスの自由エネルギー方程式で表すことができます。

${\displaystyle \Delta G_{SA}=\Delta H_{SA}-T\Delta S_{SA}\,}$

ここで、が負の場合、自己組織化は自発的なプロセスです。はプロセスのエンタルピー変化であり、主に、組織化エンティティ間の潜在的なエネルギー/分子間力によって決まります。は、秩序だった配置の形成に関連するエントロピーの変化です。一般に、組織化はエントロピーの減少を伴い、組織化が自発的であるためには、エンタルピー項が負で、エントロピー項を超えていなければなりません。 ^[17]この式は、の値がの値に近づき、臨界温度を超えると、自己組織化プロセスが発生する可能性が次第に低くなり、自発的な自己組織化は発生しないことを示しています。 ${\displaystyle \デルタ G_{SA}\,}$${\displaystyle \デルタ H_{SA}\,}$${\displaystyle \Delta S_{SA}\,}$${\displaystyle T\Delta S_{SA}\,}$${\displaystyle \デルタ H_{SA}\,}$

自己組織化は、核形成と成長の通常のプロセスによって制御されます。小さな組織は、コンポーネント間の引力相互作用によってギブスの自由エネルギーが低下するため、寿命が長くなるために形成されます。組織が大きくなるにつれて、ギブスの自由エネルギーは低下し続け、組織が長期間持続できるほど安定します。自己組織化が平衡プロセスである必要性は、構造の構成によって定義され、最低エネルギー構成が見つかる前に非理想的な配置を形成する必要があります。

キネティクス

自己組織化における究極の原動力はエネルギー最小化とそれに伴う平衡への進化であるが、運動学的効果も非常に大きな役割を果たす。準安定状態での捕捉、緩やかな粗大化速度、経路依存の組織化などの運動学的効果は、例えばブロック共重合体の形成において克服すべき複雑な問題とみなされることが多い。^{[12] [18]}

両親媒性物質の自己組織化は、高度な機能性材料を製造するための重要なボトムアップアプローチです。望ましい構造を持つ自己組織化材料は、多くの場合、熱力学的制御によって得られます。ここでは、速度論的経路の選択によって大幅に異なる自己組織化構造が得られることを実証し、自己組織化における速度論的制御の重要性を強調しています。^[18]

欠陥には、平衡欠陥と非平衡欠陥の 2 種類があります。^[17]自己組織化構造には欠陥が含まれます。ナノ材料の組み立て中に発生する転位は、最終構造に大きな影響を与える可能性があり、一般的に欠陥を完全に回避することはできません。欠陥に関する現在の研究は、欠陥密度の制御に焦点を当てています。[23] ほとんどの場合、自己組織化の熱力学的駆動力は弱い分子間相互作用によって提供され、通常はエントロピー項と同じ桁数です。^[17]自己組織化システムが最小自由エネルギー構成に到達するには、自己組織化分子の質量輸送を可能にするのに十分な熱エネルギーが必要です。欠陥形成の場合、単一欠陥形成の自由エネルギーは次のように表されます。

${\displaystyle \Delta G_{DF}=\Delta H_{DF}-T\Delta S_{DF}\,}$

エンタルピー項は、必ずしも分子間の分子間力を反映するものではなく、パターンを乱すことに関連するエネルギーコストであり、最適な配置が起こらず、理想的な自己組織化に関連するエンタルピーの減少が起こらなかった領域と考えることができます。この例は、ラメラ構造の欠陥領域が存在する六角形に詰め込まれたシリンダーのシステムで見ることができます。 ${\displaystyle \Delta H_{DF}\,}$

が負の場合、システム内の欠陥の数は有限となり、濃度は次のように表されます。 ${\displaystyle \Delta G_{DF}\,}$

${\displaystyle {N \over N_{0}}=\exp({-\Delta E_{\text{act}} \over RT})\,}$

_{N は N 0 個}の自己組織化粒子または特徴のマトリックス内の欠陥の数であり、欠陥形成の活性化エネルギーである。活性化エネルギー はと混同してはならない。活性化エネルギーは、初期の理想的配置状態と欠陥構造への遷移状態との間のエネルギー差を表す。欠陥濃度が低い場合、欠陥形成はエントロピー駆動であり、欠陥の臨界濃度に達すると活性化エネルギー項がエントロピーを補償できるようになる。通常、最小自由エネルギーで示される平衡欠陥密度がある。欠陥形成の活性化エネルギーは、この平衡欠陥密度を増加させる。^[17]${\displaystyle \Delta E_{\text{act}}\,}$${\displaystyle \Delta E_{act}\,}$${\displaystyle \Delta H_{DF}\,}$

自己組織化システムにおける粒子の相互作用は分子間力によって支配されます。イオン結合や共有結合は、非平衡構造にアセンブリを「固定」するため、力はイオン結合や共有結合よりも分子間力になる傾向があります。自己組織化プロセスで見られる分子間力の種類には、ファンデルワールス力、水素結合、弱い極性力などがあります。自己組織化では、規則的な構造配置が頻繁に観察されるため、分子間の引力と反発力のバランスが取れている必要があります。そうしないと、粒子間に平衡距離は存在しません。反発力は、電子雲間の重なりまたは静電反発力です。^[要出典]

ナノ粒子の自己組織化は、ナノ粒子が硬いか柔らかいかに応じて、充填密度の最大化または粒子間の接触面積の最小化によって促進されます。^[19]硬いナノ粒子の例としては、シリカ、フラーレンなどがあり、柔らかいナノ粒子には、有機ナノ粒子、ブロック共重合体ミセル、DNAナノ粒子などがあります。ナノ粒子の整然とした自己組織化構造は、超格子と呼ばれます。^[19]

硬質粒子の場合、初期のイオン化合物の構造を理解するのにポーリングの法則が役立ち、その後のエントロピー最大化原理はシステム内の密な充填に有利であることを示しています。したがって、与えられた形状に対する最密充填を見つけることは、硬質ナノ粒子超格子の構造を予測するための出発点です。 ^[19]球状粒子の場合、最も密な充填は、ケプラー・ヘイルズの定理から、面心立方および六方最密充填です。^[20]

異なる粒子形状/多面体は、システムのエントロピーを最小化するために、多様で複雑なパッキング構造を作り出します。コンピュータシミュレーションにより、多面体ナノ粒子は、長距離秩序と短距離秩序に応じて、液晶、塑性結晶、結晶、無秩序構造の4つの構造カテゴリに分類されます。^[21]

ソフトナノ粒子の多くはコアシェル構造をしています。半柔軟性表面リガンドはコアの相互作用を柔らかくし、均一に覆われた下層のコアよりも球形に近い形状を作り出します。表面リガンドは界面活性剤、ポリマー、DNA、イオンなどから選択できます。表面リガンドの量を変えることで、超格子の構造を調整できます。その「ソフト」な挙動は、ポーリングの法則が失効したハード粒子とは異なる自己組織化ルールをもたらします。^[19]

ソフトナノ粒子の超格子構造をカスタマイズするために、金属-DNAナノ粒子の研究に基づいて、球状ナノ粒子超格子の6つの設計ルールが確立されています。^[22]

ナノ粒子が自己組織化するプロセスは広く普及しており、重要です。自己組織化がなぜ、どのように起こるかを理解することは、結果を再現し最適化する上で重要です。通常、ナノ粒子は分子相互作用と外部からの方向のどちらか、または両方の理由で自己組織化します。^[23]

ナノ粒子は、キャッピングリガンドとの共有結合または非共有結合相互作用を通じて化学的に組み立てられる能力を持っています。^[24]粒子上の末端官能基はキャッピングリガンドとして知られています。これらのリガンドは複雑で洗練されている傾向があるため、自己組織化は効率的な官能基を合成することでナノ粒子の組織化のためのより単純な経路を提供することができます。たとえば、DNAオリゴマーは、配列に基づく特定の組織化を介してナノ粒子の構成要素を自己組織化するための重要なリガンドでした。^[25]しかし、所望の構造のための正確でスケーラブルな（プログラム可能な）アセンブリを実現するためには、方向、形状、形態、親和性など、構成要素（前駆体）レベルでのリガンド分子のナノ粒子への慎重な配置が必要となるはずである^{[26] [27] [28] [29] 。リガンド構成要素ユニットの設計が成功すれば、}ナノセンサーシステム、^[30] ナノマシン/ナノボット、ナノコンピューター、その他多くの未知のシステムなど、 幅広い新しいナノシステムの製造に重要な役割を果たすことができる。

ナノ粒子は、分子間力の結果として自己組織化することができます。システムが自由エネルギーを最小化しようとすると、自己組織化はシステムが熱力学的に最も低い自由エネルギーを達成するための1つの選択肢です。^[23]ナノ粒子は、側鎖の官能基を変更し、弱く特定の分子間力を利用して粒子を自発的に整列させることで、自己組織化するようにプログラムできます。これらの直接的な粒子間相互作用は、水素結合やファンデルワールス力などの一般的な分子間力である場合もありますが、疎水性や親水性などの内部特性である場合もあります。たとえば、親油性ナノ粒子は、溶媒が蒸発すると自己組織化して結晶を形成する傾向があります。^[23]これらの凝集は分子間力に基づいていますが、温度やpHなどの外部要因も自発的な自己組織化に役割を果たします。

ナノ粒子の相互作用はナノスケールで起こるため、粒子の相互作用も同様にスケール化する必要があります。ハマカー相互作用は、多数の近くの粒子の分極特性と、それらが互いに及ぼす影響を考慮します。ハマカー相互作用は、システムに含まれるすべての粒子と溶媒の間のすべての力を合計します。ハマカー理論は一般にマクロなシステムを説明しますが、自己組織化システムには膨大な数のナノ粒子があるため、この用語を適用できます。ナノ粒子のハマカー定数は、リフシッツ理論を使用して計算され、文献によく記載されています。

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ナノ粒子の自己組織化の自然な能力は、本質的に自己組織化しないシステムで再現できます。誘導自己組織化 (DSA) は、自己組織化システムの化学的特性を模倣すると同時に、熱力学システムを制御して自己組織化を最大化しようとします。

外部場は自己組織化の最も一般的な誘導因子です。電場と磁場により、誘起相互作用によって粒子が整列します。^[34]場はナノ粒子とその官能基の分極率を利用します。 ^[23]これらの場誘起相互作用がランダムなブラウン運動を克服すると、粒子は結合して鎖を形成し、その後集合します。より弱い場の強さでは、誘起された双極子相互作用により、秩序だった結晶構造が確立されます。電場と磁場の方向は、熱エネルギーと相互作用エネルギーの間の一定のバランスを必要とします。

ナノ粒子の自己組織化をフローに組み込む一般的な方法には、ラングミュア・ブロジェット法、ディップコーティング法、フローコーティング法、スピンコーティング法などがある。^[35]

マクロ的な粘性流れ場は、粒子のランダム溶液を秩序だった結晶に自己組織化させることができます。しかし、集合した粒子は、流れが止まるか除去されると分解する傾向があります。^{[23] [34]}せん断流は、詰まった懸濁液やランダムに密に詰まった充填に役立ちます。これらのシステムは非平衡で始まるため、流れ場はシステムが秩序だった平衡に向かって緩和するのに役立つという点で役立ちます。流れ場は、それ自体がレオロジー挙動を示す複雑なマトリックスを扱う場合にも役立ちます。流れは異方性の粘弾性応力を誘発することができ、それがマトリックスを克服して自己組織化を引き起こすのに役立ちます。

最も効果的な自己組織化ディレクターは、外部力場の組み合わせです。^[23]フィールドと条件が最適化されていれば、自己組織化は永続的かつ完全なものになります。フィールドの組み合わせを、本質的に応答するように調整されたナノ粒子と併用すると、最も完全なアセンブリが観察されます。フィールドの組み合わせにより、スケーラビリティやシンプルさなど、自己組織化の利点を維持しながら、方向と構造形成を制御できます。フィールドの組み合わせは、将来の指向性自己組織化研究にとって最大の可能性を秘めています。

ナノテクノロジーの応用は、界面におけるナノ粒子の横方向の集合と空間配置に依存することが多い。ナノ粒子の官能基の位置と方向を操作することで、固体/液体界面で化学反応を誘発することができる。これは、外部刺激または直接操作によって達成できる。光や電場などの外部刺激のパラメータを変更すると、組み立てられたナノ構造に直接影響が及ぶ。同様に、直接操作では、フォトリソグラフィー技術、走査プローブ顕微鏡（SPM）、走査トンネル顕微鏡（STM）などを活用している。^[36]

ナノ粒子は、外部からの力（磁気や電気など）が加えられた後、固体表面上で自己組織化することができます。カーボンナノチューブやブロックポリマーなどの微細構造で作られたテンプレートも、自己組織化を支援するために使用できます。これらは、活性部位が埋め込まれてナノ粒子の堆積を選択的に誘導する、指向性自己組織化（DSA）を引き起こします。このようなテンプレートは、さまざまな粒子をテンプレートと同様の形態の構造に配置できるオブジェクトです。^[6]カーボンナノチューブ（微細構造）、単一分子、またはブロックコポリマーが一般的なテンプレートです。^[6]ナノ粒子は、ナノメートルやマイクロメートルの距離内で自己組織化することがよく示されていますが、ブロックコポリマーテンプレートを使用すると、マクロな距離にわたって明確に定義された自己組織化を形成できます。ナノチューブやポリマーの表面に活性部位を組み込むことで、これらのテンプレートの機能化を変換して、特定のナノ粒子の自己組織化を優先することができます。

液体界面でのナノ粒子の挙動を理解することは、ナノ粒子を電子機器、光学、センシング、触媒デバイスに統合するために不可欠です。液体/液体界面の分子配列は均一です。多くの場合、それらは欠陥を修正するプラットフォームも提供するため、液体/液体界面は自己組織化に最適です。自己組織化後、構造的および空間的配置は、X線回折と光反射率によって決定できます。自己組織化に関与するナノ粒子の数は、水相または有機相の電解質の濃度を操作することによって制御できます。電解質濃度が高いほど、ナノ粒子間の間隔が狭くなります。^[37] PickeringとRamsdenは、このアイデアを表現するために油/水（O/W）界面を使用しました。PickeringとRamsdenは、酸化鉄や二酸化ケイ素などの固体粒子を含むパラフィン水エマルジョンの実験中に、ピカリングエマルジョンのアイデアを説明しました。彼らは、ミクロンサイズのコロイドが2つの混ざらない相の界面に抵抗膜を生成し、エマルジョン液滴の凝集を阻害することを観察した。これらのピカリングエマルジョンは、油水系などの2成分液体系におけるコロイド粒子の自己組織化から形成される。エマルジョンの安定性に直接関係する脱着エネルギーは、粒子サイズ、粒子同士の相互作用、および粒子と油分子や水分子の相互作用に依存する。^[38]

油/水界面でのナノ粒子の集合の結果、全自由エネルギーの減少が観察された。粒子は界面に移動すると、混ざらない流体間の不利な接触を減らし、界面エネルギーを減少させる。微小粒子の全自由エネルギーの減少は熱エネルギーの減少よりもはるかに大きく、その結果、大きなコロイドが界面に効果的に閉じ込められる。ナノ粒子は、熱エネルギーに匹敵するエネルギー減少によって界面に拘束される。したがって、ナノ粒子は界面から容易に移動できる。その後、粒子サイズに依存する速度で界面で一定の粒子交換が発生する。集合の平衡状態では、自由エネルギーの総増加は粒子が小さいほど小さくなる。^[38]したがって、大きなナノ粒子集合体の方が安定している。サイズ依存性により、ナノ粒子は界面で自己集合して平衡構造を達成することができる。一方、マイクロメートルサイズのコロイドは非平衡状態に閉じ込められる可能性がある。

機能性ナノ粒子からのナノスケール構造の自己組織化は、小型で強力な電子部品の開発への強力な道筋を提供してきた。^[要出典]ナノスケールの物体は、分子技術では特性評価できず、光学的に観察するには小さすぎるため、操作が常に困難であった。しかし、科学技術の進歩により、現在ではナノ構造を観察するための機器が数多く存在する。イメージング法には、電子走査プローブと近接場光走査プローブを組み合わせた機器を含め、電子顕微鏡、光学顕微鏡、走査プローブ顕微鏡がある。ナノ構造特性評価ツールには、高度な光分光顕微鏡（線形、非線形、先端増強、ポンププローブ）や、表面分析用のオージェおよびX線光電子分光法がある。^[39] 2D自己組織化単分散粒子コロイドは、高密度磁気記憶媒体に大きな可能性を秘めている。各コロイド粒子は、強力な磁場をかけると、2進数の0と1として知られる情報を記憶する能力を持つ。一方、コロイド粒子を選択的に選択するためには、ナノスケールのセンサーまたは検出器が必要です。ブロック共重合体のミクロ相分離は、表面に規則的なナノパターンを生成する手段として大きな可能性を示しています。したがって、それらは新しいナノ材料やナノエレクトロニクスデバイス構造への応用が見込まれるかもしれません。^[17]

ブロック共重合体は、化学的に異なるポリマーブロックが共有結合していることを特徴とする、十分に研究された多用途の自己組織化材料である。^[12]この共有結合強化の分子構造により、ブロック共重合体は自発的にナノスケールのパターンを形成する。ブロック共重合体では、共有結合により、個々のポリマーが分離したままでいようとする自然な傾向が阻害される（一般に、異なるポリマーは混ざり合わない）ため、材料はナノパターンに組み立てられる。^[40]これらの共重合体は、均一なナノサイズのミセルに自己組織化する能力があり^{[41] [42]}、透過性と保持効果が向上して腫瘍に蓄積する。^[43]ポリマー組成を選択して、ミセルのサイズと選択した薬剤との適合性を制御することができる。この用途の課題は、自己組織化ナノミセルのサイズを再現または制御することの難しさ、予測可能なサイズ分布を準備すること、および高薬物負荷量でのミセルの安定性である。

磁性ナノチェーンは、磁場や磁場勾配を使用して操作できる高度に異方的な形状（鎖状）を持つ新しい磁気応答性および超常磁性ナノ構造の一種です。^{[34]磁性ナノチェーンは、低周波および超低周波交流磁場や}磁気薬物送達における磁気機械駆動関連ナノ医薬品など、多くの潜在的な用途に大きな付加価値をもたらす魅力的な特性を持っています。

細胞イメージング

ナノ粒子は、明るさと光安定性のため、生物学的標識と感知性に優れているため、特定の自己組織化ナノ粒子は、さまざまなシステムでイメージングコントラストとして使用できます。ポリマー架橋剤と組み合わせると、蛍光強度を高めることもできます。^[44]官能基による表面修飾も、選択的な生物学的標識につながります。自己組織化ナノ粒子は、標準的な薬物送達システムと比較して、より生体適合性があります。^[45]

• 二十面体双子
• ハイドロゲル
• ナノ粒子
• ナノ粒子の堆積