나노화학
Nanochemistry나노화학은 화학과 나노 과학의 결합이다.나노화학은 크기, 표면, 형태, 결함 특성에 따라 달라지는 빌딩 블록의 합성과 관련이 있습니다.나노화학은 화학, 물질 및 물리, 과학, 공학, 생물학 및 의학 분야에도 사용되고 있습니다.나노화학과 다른 나노과학 분야는 핵심 개념은 같지만 그 개념의 용도는 다르다.
나노 접두사는 나노미터 크기의 물질에서 이상한 변화를 관찰했을 때 나노 화학에 붙여졌다.나노미터 크기의 구조물에 대한 몇 가지 화학적 수정은 크기에 따라 달라지는 효과를 승인합니다.
나노화학은 크기, 형태, 자가조립, 결함, 바이오나노 등의 개념으로 특징지을 수 있습니다. 따라서 새로운 나노구조의 합성은 이 모든 개념과 관련이 있습니다.나노 구조 합성은 표면, 크기 및 모양이 어떻게 구성 요소를 기능적 구조로 자가 조립하는지에 따라 달라집니다. 이러한 구성 요소에는 기능적 결함이 있을 수 있으며 전자적, 광학적, 의료적 또는 생체 분석적 문제에 유용할 수 있습니다.
실리카, 금, 폴리디메틸실록산, 카드뮴 셀레나이드, 산화철, 탄소는 나노화학이 가진 변형력을 보여주는 물질이다.나노화학은 암을 초기 단계에서 발견해 사망시킬 수 있는 산화철(녹)로 MRI의 가장 효과적인 조영제를 만들 수 있다.실리카(유리)는 트랙에서 빛을 구부리거나 멈추는 데 사용할 수 있습니다.개발도상국에서도 실리콘을 사용하여 액체를 위한 회로를 만들어 선진국의 병원체 검출 능력을 달성하고 있습니다.탄소는 다양한 형태와 형태로 사용되었으며 전자 재료에 더 나은 선택이 될 것입니다.
전반적으로 나노화학은 화합물의 원자 구조와 관련이 없다.오히려 재료를 문제를 해결하기 위한 솔루션으로 바꾸는 다양한 방법에 대한 것입니다.화학은 주기율표에서 원자의 자유도를 주로 다루지만 나노화학은 물질의 [1]거동을 제어하는 다른 자유도를 가져왔다.
나노케미컬 방법은 최근 몇 년 동안 놀라운 기계적, 전기적 특성으로 주목을 받고 있는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀, 플라렌과 같은 탄소나노물질을 만드는 데 사용될 수 있다.
나노토그래피
나노토포그래피는 나노스케일에 나타나는 특정한 표면적 특징을 말한다.산업에서는 일반적으로 나노토포그래피의 응용분야는 전자제품과 인공적으로 생성된 표면특성을 포함한다.단, 분자 수준 세포 상호작용 및 동식물의 질감 있는 장기 등 자연 표면 특징도 이 정의에 포함된다.나노토그래픽의 특징은 세포 내에서 매우 민감하기 때문에 이러한 나노토그래픽의 특징은 생물 유기체의 조절과 기능을 돕는 독특한 목적을 제공한다.
나노 리소그래피
나노 리소그래피는 나노토그래피 에칭이 표면에 인공적으로 생성되는 과정이다.컴퓨터의 반도체 칩을 포함한 많은 실용적인 응용 분야가 나노 리소그래피를 사용합니다.나노 [2]리소그래피에는 다음과 같은 많은 유형이 있습니다.
각 나노 리소그래피 기술에는 해상도, 시간 소비 및 비용 요소가 다릅니다.나노 리소그래피에 사용되는 기본적인 방법은 세 가지가 있습니다.하나는 "마스크" 역할을 하는 레지스트 재료를 사용하여 매끄러운 표면 영역을 커버하고 보호하는 것입니다.이제 덮개를 벗긴 부분을 식각할 수 있으며, 보호 재료가 스텐실 역할을 합니다.두 번째 방법은 원하는 패턴을 직접 조각하는 것입니다.식각에는 전자나 빛과 같은 양자 입자의 빔이나 산화나 자가 조립 단분자층과 같은 화학적 방법을 사용하는 것이 포함될 수 있습니다.세 번째 방법은 원하는 패턴을 표면에 직접 배치하여 최종적으로 원래 표면보다 몇 나노미터 더 두꺼운 최종 제품을 만듭니다.제작할 표면을 시각화하기 위해서는 주사 프로브 현미경과 원자력 현미경을 포함한 나노 해상도 현미경으로 [3]표면을 시각화해야 한다.두 현미경 모두 최종 제품의 가공에 관여할 수 있습니다.
자가조립 단분자층
나노 리소그래피 방법 중 하나는 부드러운 방법론을 발전시키는 자가조립 단분자를 사용하는 것이다.자가조립 단분자는 긴 사슬 알칸티오르산염으로 금 표면에서 자가조립되어 질서 있는 단분자막을 형성합니다.이 방법의 장점은 가로 치수가 5nm~500nm인 고품질 구조를 만들 수 있다는 것입니다.본 방법론에서는 일반적으로 폴리디메틸실록산(PDMS)을 마스크로 하는 패턴화 엘라스토머를 사용한다.PDMS 스탬프를 만들기 위해서는 실리콘 웨이퍼 위에 포토 레지스트의 얇은 층을 코팅하는 것이 첫 번째 공정입니다.다음 단계는 자외선으로 층을 노출시키고 노출된 포토 레지스트를 현상제로 씻어내는 것입니다.프리폴리머의 두께를 줄이기 위해 패턴화된 마스터를 페르플루오로알킬트리클로로실란으로 [4]처리한다.이러한 PDMS 엘라스토머는 다양한 용도로 평면 및 곡면에 마이크론 및 서브마이크론 설계 화학 잉크를 인쇄하는 데 사용됩니다.
적용들
약
나노 화학의 고도로 연구된 응용 분야 중 하나는 의학이다.나노화학 기술을 이용한 간단한 스킨케어 제품은 자외선 차단제입니다.자외선 차단제는 산화아연과 [5]이산화티타늄의 나노 입자를 함유하고 있다.이 화학물질들은 빛을 흡수하거나 반사시켜 해로운 자외선으로부터 피부를 보호하고 나노입자 내 전자의 광자극으로 피부가 완전히 손상되지 않도록 한다.효과적으로, 입자의 들뜸은 피부세포가 DNA 손상으로부터 차단된다.
약물 전달
나노테크놀로지적 방법을 포함한 새로운 약물 전달 방법은 신체 반응의 증가, 특정 표적화 및 효율적이고 무독성 신진대사를 개선함으로써 유리할 수 있다.많은 나노기술적 방법과 재료들이 약물 전달을 위해 기능화 될 수 있다.이상적인 재료는 약품 화물을 체내에 운반하기 위해 제어된 활성화 나노물질을 사용한다.메조폴러스 실리카 나노입자(MSN)는 표면적이 넓고 다양한 개별 수정에 대한 유연성으로 인해 연구 인기가 높아지고 있으며, 이미징 [6]기술에서도 고해상도 성능을 보여주고 있다.활성화 방법은 나노 크기의 약물 전달 분자에 따라 크게 다르지만, 가장 일반적으로 사용되는 활성화 방법은 화물을 방출하기 위해 특정 파장의 빛을 사용합니다.나노밸브 제어 화물 방출은 저강도 빛과 플라스몬 가열 방식을 사용하여 금 [7]분자를 함유한 MSN 변종 화물을 방출합니다.2-광자 활성화 광전송기(2-NPT)는 IR 파장에 가까운 빛을 사용하여 이황화물 결합을 끊고 [8]화물을 방출합니다.최근 나노다이아몬드는 무독성, 피부를 통한 자발적 흡수, 혈액뇌장벽 진입 능력 등으로 약물 전달의 가능성을 보여주고 있다.
조직공학
세포는 나노토포그래픽 특성에 매우 민감하기 때문에 조직 공학에서 표면의 최적화는 이식 쪽으로 경계를 넓혀왔다.적절한 조건 하에서, 세포 종자를 인공 장기 성장으로 유도하기 위해 세심하게 제작된 3차원 발판이 사용됩니다.3-D 발판에는 환경을 제어하는 다양한 나노 스케일 요소가 포함되어 있어 최적의 [9]기능을 제공합니다.골격은 체외 세포외 매트릭스의 유사체이며, 필요한 복잡한 생물학적 요소를 체외에서 제공함으로써 성공적인 인공 장기 성장을 가능하게 한다.추가적인 이점으로는 세포 발현 조작, 접착 및 약물 전달의 가능성이 있다.
상처
찰과상과 상처의 경우 나노화학은 치유 과정을 개선하는 데 응용되는 것으로 입증되었습니다.일렉트로스핀은 조직공학에서 생물학적으로 사용되는 중합법이지만 상처 드레싱 및 약물 전달에 기능화할 수 있다.이것은 세포 증식, 항균 특성, 그리고 통제된 [10]환경을 촉진하는 나노섬유를 생산한다.이러한 특성은 매크로 스케일로 생성되었지만 나노 크기 버전은 나노 지형적 특징 때문에 향상된 효율성을 보일 수 있습니다.나노섬유와 상처 사이의 표적 계면은 표면적 상호작용이 더 높고 생체 내에서도 유리하다.
특정 은 나노 입자가 일부 바이러스와 [11]박테리아를 억제하는 데 유용하다는 증거가 있다.
나노 화학의 새로운 발전은 제어하기 쉬운 중요한 성질을 가진 다양한 나노 구조 재료를 제공합니다.이러한 나노구조 재료의 응용 분야에는 자가조립 단층 및 리소그래피, 센서에 나노와이어 사용, 나노효소 등이 있습니다.
일렉트로닉스
나노와이어 조성물
과학자들은 또한 수증기와 용액상 전략을 이용하여 길이, 지름, 도핑, 표면 구조를 조절하는 나노와이어 조성물을 다수 고안해냈다.이 지향성 단결정들은 다이오드, 트랜지스터, 논리회로, 레이저, 센서와 같은 반도체 나노와이어 소자에 사용되고 있다.나노와이어는 1차원 구조로 표면 대 체적비가 크기 때문에 확산저항이 낮아진다.또한, 양자 구속 효과로 인한 전자 전달에서의 효율은 그들의 전기적 성질을 사소한 [12]섭동에 의해 영향을 받는다.따라서 나노센서 소자에 이러한 나노와이어를 사용하면 전극 응답 감도가 높아집니다.이상과 같이 반도체 나노와이어는 1차원성과 화학적 유연성이 있어 나노에 적용할 수 있다.페이동 양과 그의 동료들은 실온 자외선 나노와이어 나노와이어에 대한 연구를 진행했는데, 나노와이어의 중요한 성질이 언급되어 왔다.단파장 나노를 사용하면 광학 컴퓨팅, 정보 저장, 미세 [13]분석 등 다양한 분야에 응용할 수 있다는 결론을 내렸다.
촉매 작용
나노자임(또는 나노자임)
나노입자 기반 효소에 주로 사용되는 나노구조 재료는 특이성을 보여 인기를 끌고 있다.이러한 나노효소(또는 나노효소)의 매우 작은 크기(1-100nm)는 독특한 광학,[14] 자기, 전자 및 촉매 특성을 제공합니다.또한 나노 입자의 표면 기능 제어와 예측 가능한 작은 크기의 효소의 나노 구조는 표면에 복잡한 구조를 만들어 내고, 결과적으로 특정 애플리케이션의[15] 요구를 충족시킵니다.
조사.
나노다이아몬드
합성
형광 나노 입자는 광범위한 응용 분야를 가지고 있지만 거시적 어레이에 대한 사용은 플라스틱, 광자 및 양자 통신의 응용 분야에서 효율적으로 사용될 수 있도록 해 주므로 나노 입자를 매우 선호한다.나노 입자 어레이, 특히 금 나노 입자를 조립하는 방법은 여러 가지가 있지만, 기질에 약하게 결합되는 경향이 있기 때문에 습식 화학 처리 공정이나 리소그래피에는 사용할 수 없습니다.나노다이아몬드는 양자 플라스모닉스 회로를 실현하기 위해 플라스모닉 도파관을 결합하는 데 사용될 수 있는 접근의 큰 변화를 가능하게 합니다.
나노다이아몬드를 자기조립하는 아민기를 어레이로 부가하는 마스크프리 전자빔 유도위치기술을 이용해 원스텝으로 제조된 나노크기의 탄소질 종자를 이용해 나노다이아몬드를 합성할 수 있다.나노다이아몬드 표면에 매달린 결합이 존재하기 때문에 다양한 리간드로 기능할 수 있습니다.이러한 나노다이아몬드의 표면은 카르본산기로 종단되어 카르보디이미드 결합 [16]화학을 통해 아민 종단 표면에 부착할 수 있습니다.이 과정은 EDC의 존재 하에서 비정질 탄소와 나노다이아몬드 표면에서 아민과 카르복실기 사이의 공유 결합에 의존하는 높은 수율을 제공합니다.따라서 금 나노 입자와 달리 많은 소자 응용 분야에서 가공과 처리를 견딜 수 있습니다.
형광(질소 공실)
나노다이아몬드의 형광 특성은 질소 공실(NV) 중심과 공실 옆에 질소 원자가 있기 때문에 발생합니다.형광 나노다이아몬드는 2005년에 발명되었고 그 이후로 다양한 [17]연구 분야에서 사용되어 왔다.그 발명은 2008년에 미국 특허를 받았다.States7326837 B2미국 7326837 B2, Chau-Chung 한;Huan-Cheng 장&Shen-Chung 리(알.,"결정질 다이아몬드 입자들의 임상 응용 프로그램", 2월 5일 2008년 발행된 타이완 중앙 연구원, 타이페이(TW)이고 2012년 States8168413 B2미국 8168413 B2, Huan-Cheng 장에서 후속 특허에 할당되지 Wunshian Fann&Chau-Chun.g한 씨2012년 5월 1일 발행된 '발광 다이아몬드 입자(Luminesent Diamond Particle)'는 타이베이(TW)의 학술원에 할당되었다. NV 센터는 나노다이아몬드에 고에너지 입자(전자, 양성자, 헬륨 이온)를 조사한 후 600–800°C에서 진공 소둔하여 생성될 수 있다.방사선은 다이아몬드 구조에서 백신을 형성하는 반면 진공 제거는 나노다이아몬드 안에 있는 질소 원자에 의해 갇히는 이러한 빈 공간을 이동시킨다.이 공정은 두 가지 유형의 NV 센터를 생성합니다.중성(NV0)과 음전하(NV–)의 두 가지 유형의 NV 중심이 형성되며, 이러한 NV 중심은 서로 다른 방출 스펙트럼을 갖는다.NV – 중심은 광 펌핑에 의해 스핀 가속되고 전자상 자기 [18]공명을 사용하여 조작될 수 있는 S = 1 스핀 지면 상태를 가지고 있기 때문에 특히 관심을 끈다.형광 나노다이아몬드는 반도체 양자 닷(작은 크기, 높은 광안정성, 밝은 다색 형광)의 장점을 생체적합성, 무독성 및 풍부한 표면 화학과 결합하여 생체 이미징 [19]응용 분야를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
약물 전달 및 생물학적 호환성
나노다이아몬드는 자가조립 능력이 있으며 다양한 종류의 작은 분자, 단백질 항체, 치료제 및 핵산이 표면에 결합할 수 있어 약물 전달, 단백질 모방 및 외과적 임플란트를 가능하게 한다.다른 잠재적인 생물의학적 응용으로는 나노다이아몬드를 고체상 펩타이드 합성을 위한 지지체 및 해독 및 분리를 위한 흡수제 및 생물의학 이미징을 위한 형광 나노다이아몬드로 사용하는 것이 있다.나노다이아몬드는 생체적합성, 광범위한 치료제 운반 능력, 물 속 분산성 및 확장성 및 약물 전달 플랫폼에 필요한 모든 성질을 대상으로 한 치료의 잠재성을 갖추고 있습니다.나노다이아몬드의 작은 크기, 안정된 코어, 풍부한 표면 화학, 자가 조립 능력 및 낮은 세포 독성으로 인해 구상 단백질을 모방하는 데 사용될 수 있다는 제안이 제기되었습니다.나노다이아몬드는 일반 약물 전달을 위한 잠재적인 주입식 치료제로 주로 연구되어 왔지만, 또한 팔린나노다이아몬드 복합 재료의 필름은 2일에서 [20]1개월까지의 기간에 걸쳐 약물의 국부적인 지속적인 방출에 사용될 수 있는 것으로 나타났다.
나노미터 크기의 클러스터
모노디스퍼스, 나노미터 크기의 클러스터(나노클러스터라고도 함)는 양자 구속의 효과를 통해 크기와 구조가 그들의 특성에 영향을 미치는 합성 성장 결정체이다.이러한 결정을 키우는 한 가지 방법은 비수성 [21]용제의 역미셀러 케이지입니다.MoS2 나노클러스터의 광학적 성질을 벌크 결정과 비교해 흡광도 스펙트럼을 분석했다.분석에 따르면 벌크 결정에 의한 흡광도 스펙트럼의 크기 의존성은 연속적인 반면 나노클러스터의 흡광도 스펙트럼은 개별 에너지 수준을 취한다.이는 4.5~[21]3.0nm의 보고된 클러스터 크기에서 발생하는 고체 유사 행동에서 분자 유사 행동으로의 전환을 나타냅니다.
나노클러스터의 자기 특성에 대한 관심은 자기 기록, 자기 유체, 영구 자석 및 촉매 작용에 사용될 수 있기 때문에 존재합니다.Fe 클러스터 분석 결과 클러스터 [21]내의 강한 자기 상호작용에 의한 강자성 또는 초파라매트릭 거동과 일치하는 거동이 나타난다.
나노클러스터의 유전 특성은 촉매 작용, 광촉매, 마이크로 캐패시터, 마이크로 일렉트로닉스 및 비선형 광학 분야에서의 적용 가능성 때문에 또한 관심 대상입니다.
저명한 연구자
이 섹션은 어떠한 출처도 인용하지 않습니다.(2016년 12월 (이 및 ) |
나노화학 분야에는 그 분야의 발전에 기여한 연구자들이 여럿 있다.토론토 대학의 Geoffrey A. Ozin은 이 주제에 대한 4년 반 동안의 연구로 "나노화학 창립자" 중 한 명으로 알려져 있다.이 연구는 매트릭스 절연 레이저 라만 분광학, 나체 금속 클러스터 화학 및 광화학, 나노공성 물질, 하이브리드 나노 물질, 메소스코프 물질, 초박막 무기 나노와이어 [22]등의 연구를 포함한다.
나노 화학의 선구자 중 한 명으로 여겨지는 또 다른 화학자는 찰스 M. 하버드 대학의 리버입니다.그는 나노스케일 기술, 특히 생물과 의학 분야의 개발에 기여한 것으로 알려져 있다.나노와이어는 전기, 광학, 기계 및 열 특성이 우수하며 잠재적으로 생물학적 [23]센서로 사용될 수 있는 새로운 종류의 준 1차원 물질이다.Lieber의 연구는 뇌의 활동을 지도화하기 위한 목적으로 나노와이어를 사용하는 것에 대해 깊이 연구해 왔다.
LA 캘리포니아 대학의 시몬 와이스 교수는 생물학적 라벨 부착을 목적으로 양자 점의 하위 등급인 형광 반도체 나노크리스탈을 연구한 것으로 알려져 있다.캘리포니아 버클리 대학의 폴 알리비사토스는 나노 결정체의 제조와 사용에 대한 연구로도 유명하다.이 연구는 핵 형성, 양이온 교환, 분지 과정과 같은 작은 크기의 입자들의 메커니즘에 대한 통찰력을 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.이러한 결정의 주목할 만한 적용 분야는 양자 점의 개발입니다.
미국 버클리 캘리포니아대의 페이동 양 연구원도 1차원 나노구조 개발에 기여한 것으로 유명하다.양 회장은 현재 나노와이어 광자, 나노와이어 기반 태양전지, 태양광에서 연료로 변환하는 나노와이어, 나노와이어 열전자, 나노 결정 촉매, 나노튜브 나노유체, 플라스모닉스 등의 분야에서 활발한 연구를 진행하고 있다.
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엄선된 책
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