納米顆粒的類型、性質和用途

納米粒子有很多分類方法:天然的還是人造的?是合成的還是副產品?有機或無機嗎?按大小;形狀;表麵性能;或功能化。

合成納米粒子的多樣性是相當大的。它們的性質和用途各不相同。除了大小之外，合成的納米顆粒在化學成分、形狀、表麵特征和生產方式上也各不相同。

除了商業化生產的納米材料(查看我們的巨大圖書館納米材料在這裏)，許多納米顆粒不僅是現代技術的產物，也是由火山爆發或森林火災等自然過程產生的。天然的納米顆粒還包括礦物來源的超細砂粒(如氧化物、碳酸鹽)。在燃燒柴油(超細顆粒)或燒烤時，會無意中產生大量的納米顆粒。

這個詞納米顆粒是ìnanosî(希臘語:侏儒)和ìparticulumî(拉丁語:粒子)的合成詞。在科學的背景下，ìnanoî主要指一個特定的數量級，即109在公製．這可以指體積、重量或時間單位，其中納米(nm = 109米)對應一米的十億分之一。為了更形象地說明這一點，一納米與一米的關係就像網球直徑與地球直徑的關係一樣。看看Nanowerk度量prefic表還有“事物的規模”。

你們也會遇到這個術語納米經常。它們是由原子和分子組成的小團塊，由幾個到幾千個單位組成，直徑大多在單納米尺度。這個名字納米顆粒通常用於直徑從幾納米到幾百納米的更大的團簇，但團簇和納米顆粒之間的區別並不明確。

科學家根據材料的維度數對納米材料進行分類，這些維度不在納米尺度(<100納米)範圍內。

因此,在零維(0D)納米材料的所有尺寸都在納米尺度內測量(尺寸均不大於100 nm)。最常見的0D納米材料是納米顆粒。

在一維納米材料(1D)，一維是在納米尺度之外。這類材料包括納米管、納米棒和納米線。

在二維納米材料(二維)，二維是在納米尺度之外的。這類材料呈片狀，包括石墨烯、納米薄膜、納米分子層和納米塗層。

三維納米材料(3D)是指在任何維度上都不局限於納米尺度的材料。這一類可以包含大塊粉末、納米粒子分散體、納米線束、納米管以及多納米層。

兩個主要因素導致納米顆粒尺寸的材料的性能與其體積形式有顯著差異:增大相對表麵積,量子尺寸效應．這些因素可以改變或增強諸如反應性、強度和電特性等性能。

表麵積

當粒子變小時，表麵的原子比粒子內部的原子多。當粒子直徑為10納米時，整個粒子約30 000個原子中的20%位於其表麵;當粒子直徑為5納米時，該值增加到40%，當直徑為1納米時，幾乎所有的原子都在表麵。與材料內部的原子相比，表麵原子的直接鄰接更少，因此包含所謂的不飽和鍵。這是粒子表麵反應性較高的原因。

因此，與較大的顆粒相比，納米顆粒單位質量的表麵積要大得多。由於生長和催化化學反應發生在表麵上，這意味著一定質量的納米顆粒形式的材料將比相同質量的由更大顆粒組成的材料反應性強得多。

要了解顆粒大小對表麵積的影響，可以考慮一枚美國銀鷹硬幣。這枚銀幣含31克銀幣銀，總表麵積約為3000平方毫米。如果把同樣數量的銀幣銀分成直徑為10納米的微粒，這些微粒的總表麵積將達到7000平方米(相當於一個足球場的大小)，或者比白宮的麵積還要大，白宮的麵積為5100平方米。換句話說:當一枚銀元中所含的銀幣銀被渲染成10納米的粒子時，這些粒子的表麵積為超過200萬倍比銀幣的表麵積還大!

提高反應性是許多應用的基礎。精確控製粒徑產生新一代高選擇性催化劑;這種催化劑加速了化學過程。

這種高反應性也降低了熔點，因此使用納米關節原料可以降低陶瓷的燒成溫度。更重要的是，複合材料(由各種材料組成的固體)在硬化過程中收縮更小，這在牙科修複術中是一個特別重要的特征。

量子尺寸效應

所謂的量子尺寸效應描述了電子顆粒尺寸大大減小的固體的性質。從宏觀到微觀，這種效應是無法發揮作用的。然而，當納米尺寸範圍達到時，它成為主導。

量子效應可以開始主導物質在納米尺度的行為——特別是在較低的一端(個位數和低幾十納米)——影響材料的光學、電和磁行為。

這些劇烈變化的原因源於量子物理學的怪異世界。任何材料的體積特性僅僅是影響構成該材料的所有原子的所有量子力的平均值。當你把東西做得越來越小的時候，你最終會到達一個點，平均不再起作用，你必須處理單個原子或分子的特定行為——這些行為可能與這些原子聚集成大塊材料時非常不同。

與宏觀尺度相比，納米尺度的材料會突然表現出非常不同的性質。例如，不透明的物質變成透明的(銅);惰性材料成為催化劑(鉑);穩定的材料變成可燃的(鋁);固體在室溫下變成液體(黃金);絕緣體變成導體(矽)。

改變納米顆粒的大小不僅可以改變反應性，還可以改變光學特性，如透明度，吸收，發光和散射。雖然直徑隻有幾納米的粒子遠低於可見光的波長範圍(380到780納米)，但它們可以吸收特定波長的光。

各種形狀(球形、棱柱狀)、大小(40-120納米)和組成(金-金、銀-銀)的納米晶體的瑞利散射圖像和電子顯微鏡圖像。瑞利散射是指電磁波在直徑小於散射波波長的球形粒子上的散射。(圖片來源:西北大學米爾金集團)

這些效應隻能在量子力學層麵上被理解。例如，量子點是由半導體材料組成的，粒子的大小可以用來調節熒光的波長。這些光學特性使得納米粒子在光電子、化妝品和醫療診斷方麵的應用特別有趣。

納米顆粒根據其大小、形態、物理和化學性質可分為不同類型。其中一些是碳基納米顆粒、陶瓷納米顆粒、金屬納米顆粒、半導體納米顆粒、聚合物納米顆粒和脂基納米顆粒。

納米顆粒的類型通常分為兩大類:有機而且無機．第一組包括膠束、樹狀大分子、脂質體、混合和致密聚合物納米顆粒。第二組包括富勒烯、量子點、二氧化矽和金屬納米顆粒。

另一種分類納米粒子的方法是基於它們的形態、大小和化學性質。根據物理和化學特性，納米顆粒的一些重要類別是:

碳基——(富勒烯,碳納米管，石墨烯，碳點)．這些材料因其導電性、高強度、結構、電子親和性和通用性而備受關注。

金屬-它們純粹是由金屬前體構成的。由於眾所周知的局部表麵等離子體共振(LSPR)特性，這些具有獨特的光電特性。

陶瓷這些無機非金屬固體由於其在催化、光催化、染料光降解和成像應用等方麵的應用而受到研究人員的廣泛關注。

半導體-半導體材料具有介於金屬和非金屬之間的性能，並具有寬的帶隙。帶隙調諧使它們的性質發生了顯著的改變。因此，它們是光催化、光光學和電子器件中非常重要的材料。

聚合物-科學家已經開發了許多合成聚合納米顆粒的技術，用於廣泛的應用，包括表麵塗層，傳感器技術，催化和納米醫學。

脂質-這些NPs含有脂質部分，並作為藥物載體用於許多生物醫學應用(信使rna Covid-19疫苗使用脂質納米技術)。脂質納米顆粒也被認為是基因治療中很有前途的運送核酸的係統。

特定的合成過程被用於生產各種納米顆粒，塗層，分散體或複合材料。明確的生產和反應條件對於獲得這種粒徑相關的粒子特征至關重要。顆粒的大小、化學成分、結晶度和形狀可以通過溫度、ph值、濃度、化學成分、表麵修飾和過程控製來控製。

生產納米顆粒有兩種基本策略:自頂向下而且自底向上．閱讀我們關於它的詳細文章納米粒子是如何形成的．

一般來說，術語“自上而下”在這裏指的是使用銑削過程對原料進行機械破碎。在自下而上的策略中，結構是通過化學和自組裝過程建立起來的。各自工藝的選擇取決於為納米顆粒指定的化學成分和所需的特征。

納米粒子的典型合成方法為(a)自上而下方法和(b)自下而上方法。(©阿拉伯化學雜誌)

研究人員仍然麵臨著確定納米粒子的物理化學性質和探索它們structureñfunction關係的挑戰。一個關鍵的限製是它們全麵研究納米尺度領域的能力:不同的表征技術基於不同的物理性質，因此隻能提供納米粒子特性的部分圖像。更具有挑戰性的是，表征方法本身可以直接影響納米顆粒的測量量。

納米顆粒存在於各種化學成分中，從膠束到金屬(氧化物)，從合成聚合物到大型生物分子。每一種材料都具有完全不同的化學性質，可以用包括光學光譜、x射線在內的多種方法進行分析熒光吸光度、拉曼光譜和固態核磁共振。

然而，通常納米粒子的行為在很大程度上取決於它們的納米尺寸。因此，在整個納米顆粒的表征過程中，對其大小、形狀、表麵電荷和孔隙率的研究是充分理解和預測其行為的基本步驟。

查看我們的文章如何表征納米顆粒．

納米粒子的應用領域是廣泛的(也檢查我們的底漆納米技術是如何工作的)．它們在材料開發中起著重要作用。我們對如今含有納米顆粒的材料寄予厚望，是因為我們希望不同的材料性能，如導電性、重量、穩定性、柔韌性、耐熱性等，可以彼此獨立地指定。

在塗料、聚合物納米複合材料和納米顏料中，納米粒子的應用也已被引入市場。大量的納米技術產品已經在市場上出現了一段時間。在化學部門，這包括炭黑(煤煙顆粒)，用於印刷黑;在汽車行業，這包括耐刮漆、輪胎填料和防反射層。納米粒子可用於高效的氫氣儲存係統、自愈合材料和利用傳感器技術轉換顏色的塗層。

在生命科學中，納米顆粒用於生物芯片以及所謂的標記物。它們也被用於防曬霜和化妝品。在醫學診斷中，納米顆粒越來越多地被用作造影劑;它們也是癌症治療中的一種工具，作為藥物輸送劑。納米顆粒在再生醫學中很有前途，例如在組織培養中。