나노입자

Nanoparticle
TEM(a, b, c) 평균 외경을 가진 준비된 중합성 규소 나노 입자의 영상: (a) 20nm, (b) 45nm, (c) 80nm.(b)에 해당하는 SEM (d) 영상.내막은 중첩성 실리카 입자의 높은 확대율이다.
에 대한 일련의 기사의 일부
나노소재
C60-rods.png
탄소 나노튜브
풀레레네스
기타 나노입자
나노 구조 재료

나노입자 또는 초미세먼지는 보통 지름 1-100나노미터(nm) 사이의 물질의 입자로 정의된다.[1][2]이 용어는 때때로 최대 500 nm의 큰 입자 또는 [citation needed]두 방향으로만 100 nm 미만의 섬유와 관에 사용된다.[3]가장 낮은 범위에서는 보통 1nm 미만의 금속 입자를 대신 원자 군집이라고 부른다.

나노입자는 보통 마이크로파티클(1~1000µm), "미세입자"(100~2500nm 사이), "코아트리얼 입자"(2500~10,000nm 범위)와 구별되는데, 이는 크기가 작을수록 콜로이드 성질과 초고속 광학 효과[4] 또는 전기적 특성 등 물리적 또는 화학적 특성이 매우 다르기 때문이다.

브라운 운동에 더 영향을 받기 때문에, 그것들은 대개 퇴적하지 않는데, 반대로 보통 1에서 1000 nm까지 이해되는 콜로이드 입자와 같다.

가시광선의 파장(400~700nm)보다 훨씬 작은 나노입자는 일반 광학현미경으로 볼 수 없어 레이저로 전자현미경이나 현미경을 사용해야 한다.같은 이유로 투명한 매체에서 나노입자의 분산이 투명할 수 있는 반면,[5] 더 큰 입자의 정지는 보통 눈에 보이는 빛의 일부 또는 전부를 그 위에 흩뿌린다.나노입자는 일반 세라믹 초와 같은 일반적인 필터도 쉽게 통과하기 때문에 액체와의 분리는 특별한 나노입자 기술을 필요로 한다.[6]

나노입자의 성질은 같은 물질의 큰 입자의 성질과 현저하게 다르다.원자의 일반적인 직경이 0.15~0.6nm이므로 나노입자 물질의 큰 부분은 표면의 몇 개의 원자 직경 내에 있다.따라서 해당 표면층의 특성이 벌크 재료의 특성보다 우세할 수 있다.이 효과는 서로 다른 구성의 매체로 분산된 나노입자의 경우 특히 강하다. 왜냐하면 이들의 인터페이스에서 두 물질 사이의 상호작용도 중요하기 때문이다.[7]

개별 원자를 보여주는 직경 약 2nm의 백금 나노입자 결정체 모형.

나노입자는 자연에서 광범위하게 발생하며 화학, 물리학, 지질학, 생물학과 같은 많은 과학에서 연구 대상이다.벌크 물질과 원자 또는 분자 구조 사이의 전환기에 있기 때문에, 그것들은 종종 어느 한 규모에서도 관찰되지 않는 현상을 나타낸다.그것들은 대기 오염의 중요한 구성요소로서 페인트, 플라스틱, 금속, 도자기, 그리고 자석 제품과 같은 많은 산업화된 제품의 주요 성분이다.특정 성질을 가진 나노입자의 생산은 나노기술의 한 분야다.

일반적으로 나노입자의 크기가 작을수록 부피에 비해 점결함의 농도가 낮아지지만 고해상도 전자현미경을 이용해 시각화할 수 있는 다양한 탈구를 지원한다.[8][9]그러나 나노입자는 서로 다른 탈구 역학을 보이며, 그 독특한 표면 구조와 함께 벌크 물질과는 다른 기계적 특성이 나타난다.[10][11][12]

비구형 나노입자(예: 프리즘, 큐브, 로드 등)는 형태에 의존하고 크기(화학 및 물리적) 특성(비등분)을 나타낸다.[13][14]매혹적인 광학적 특성 때문에 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)의 비구형 나노입자가 다양한 용도를 찾고 있다.나노크리스의 비구형 기하학적 구조는 높은 효과의 교차점과 콜로이드 용액의 더 깊은 색상을 만들어낸다.[15]입자 지오메트리를 튜닝하여 공진 파장을 이동할 가능성은 분자표지, 생체분자 측정, 미량 금속 검출 또는 나노기술 적용 분야에서 이를 사용할 수 있게 한다.비등방성 나노입자는 비극성 조명 아래에서 특정한 흡수 거동과 확률적 입자 방향을 나타내며, 각 흥분성 축에 대해 뚜렷한 공명 모드를 보여준다.이러한 속성은 이러한 나노입자를 높은 수율로 준비하기 위한 합성 분야에서 매일 새로운 발전이 이루어지고 있다는 사실로 설명될 수 있다.[15]

정의들

IUPAC

IUPAC는 생물학적으로 관련된 폴리머에 대해 2012년 제안된 용어에서 나노입자를 "1 × 10−9 및 1 × 10−7 m 범위의 치수가 있는 모든 형태의 입자"[2]로 정의했다.이 정의는 IUPAC가 1997년에 부여한 정의에서 발전했다.[16][17]

또 다른 2012년 간행물에서 IUPAC는 100nm 미만의 2차원만 있는 튜브와 섬유로 용어를 확장한다.[3]

ISO

국제표준기구(ISO) 기술규격 80004에 따르면 나노입자는 나노스케일에 외부 3차원이 모두 있는 물체로, 최장축과 최단축은 큰 차이가 없고, 큰 차이는 전형적으로 최소 3배 이상이다.[18]

일반 용법

'나노스케일'은 입자를 벌크 물질과 구별하는 신기한 성질이 전형적으로 그 크기 범위에서 발달하기 때문에 보통 1 ~ 100 nm의 범위로 이해된다.

투명도나 탁도, 초유도, 안정적 분산 등 일부 성질에 대해서는 500nm에 달하는 입자에 대해 나노입자의 상당한 특성이 관찰된다.따라서 이 용어는 때때로 그 크기 범위로 확장된다.[citation needed]

관련개념

나노클러스터는 1~10나노미터의 최소 1차원, 좁은 크기 분포의 나노입자 덩어리다.나노입자는[19] 초미세먼지, 나노입자 또는 나노클러스터의 덩어리다.나노미터 크기의 단일 결정체 또는 단일 영역 초미세먼지는 흔히 나노크리스탈이라고 불린다.

콜로이드와 나노입자라는 용어는 서로 바꾸어 쓸 수 없다.콜로이드(colorid)는 한 단계의 입자가 다른 위상 내에서 분산되거나 매달려 있는 혼합물이다.이 용어는 입자가 원자 치수보다 크지만 브라운 운동을 나타낼 만큼 충분히 작은 경우에만 적용되며, 임계 크기 범위(또는 입자 직경)는 일반적으로 나노미터(10m−9)에서 마이크로미터(10m−6)까지이다.[20]콜로이드에는 나노입자가 되기에는 너무 큰 입자가 포함될 수 있으며, 나노입자는 분말이나 고체기질처럼 비협착적인 형태로 존재할 수 있다.

역사

자연발생

나노입자는 많은 우주론적,[21] 지질학적,[21][22] 기상학적, 생물학적 과정에 의해 자연적으로 생성된다.매년 수천 톤의 비율로 지구에 여전히 떨어지고 있는 행성간 먼지의 상당 부분(수치로, 질량으로는 아니더라도)은 나노입자 범위에 있으며 대기 먼지 입자도 마찬가지다.[23][24]많은 바이러스들이 나노입자 범위에서 지름을 가지고 있다.

산업화 이전 기술

나노입자는 비록 본질을 알지는 못하지만 선사시대부터 장인들이 사용하였다.로마인의 리큐르구스 컵의 이분 유리(4세기 CE)와 메소포타미아(9세기 CE)의 광택기 도자기가 이를 예시하듯 고전 고대의 유리 제조자와 도예가가 사용하였다.[25][26][27]후자는 유리 유약에 은과 구리 나노입자가 분산되어 있는 것이 특징이다.

19세기

마이클 패러데이는 고전적인 1857년 논문에서 나노미터 크기의 금속의 광학적 특성에 대한 첫 번째 설명을 과학적인 용어로 제공했다.저자(터너)는 후속 논문에서 "금이나 은의 얇은 잎을 유리에 장착하고 적열(약 500℃)을 훨씬 밑도는 온도로 가열하면 금속막의 연속성이 파괴되는 놀라운 성질의 변화가 일어난다"고 지적한다.그 결과 이제 백색 빛이 자유롭게 전달되고 그에 따라 반사가 감소하는 반면 전기 저항성은 엄청나게 증가하게 된다."[28][29][30]

20세기

미국(그란크비스트·부어만)[31]과 일본(ERATO 프로젝트 내)에서 나노입자를 사용한 최초의 철저한 기초 연구가 진행되던 1970~80년대 연구자들은 초미세먼지라는 용어를 사용했다.[32]그러나, 미국에서 국가 나노기술 이니셔티브가 시작되기 전인 1990년대에는 나노입자라는 용어가 더 보편화되었다(예를 들어, 동일한 선임 저자의 논문에서 동일한 문제를 다룬 20년 후, 크기의[33] 대수적 분포 참조).

형태학 및 구조

바나듐 나노스타()IV) 산화물

나노입자는 매우 다양한 형태로 발생하는데, 나노우주, 나노기,[34] 나노기, 나노기,[35] 나노기울기,[36] 나노기울기, 나노기둥, 나노기둥, 나노기둥과 같은 많은 비공식적인 이름이 붙여져 왔다.[37]

나노입자의 모양은 물질의 내적인 결정 습관에 의해 결정되거나, 또는 그 생성 주변의 환경의 영향으로 결정되는데, 예를 들어 첨가물을 코팅하여 특정 얼굴에 결정 성장을 억제하거나, 전구제제제제제제의 에멀전 방울과 미켈의 모양, 또는 주변 모공모양의 형상에 의해 결정된다.고체 [38]매트릭스나노입자의 일부 적용은 특정한 크기나 크기 범위뿐만 아니라 특정한 모양을 필요로 할 수 있다.

비정형 입자는 전형적으로 구면 형태를 채택한다(소구조 동위원소 때문에).

미세한 입자에 대한 연구는 마이크로머리티틱스라고 불린다.

변형

반고체 및 부드러운 나노입자가 생산되었다.반고체성의 원형 나노입자는 지질이다.현재 다양한 종류의 지질 나노입자가 항암제와 백신의 전달 시스템으로 임상적으로 사용되고 있다.

바이오폴리머가 나노 크기의 빌딩 블록으로 분해되는 것은 생체적합성과 생분해성이 강화된 나노입자를 생산할 수 있는 잠재적 경로로 꼽힌다.가장 흔한 예는 나무 펄프에서 나노셀룰로오스의 생산이다.[39]다른 예로는 나노리긴, 난치틴, 나노스타치 등이 있다.[40]

한쪽은 소수성, 다른 한쪽은 소수성을 가진 나노입자는 야누스 입자로 불리며 유화 안정화에 특히 효과적이다.그들은 물/기름 인터페이스에서 자체 조립할 수 있고 피커링 안정제 역할을 할 수 있다.

N-isopropylacrylamide hydrogel core shell로 만들어진 하이드로겔 나노입자는 내부적으로 친화력 미트로 염색할 수 있다.[41]이러한 친화력 미트는 나노입자가 표적 분석물질을 강화하면서 바람직하지 않은 단백질을 분리하고 제거할 수 있게 해준다.[41]

특성.

1mm3 입자의 1kg은 1nm3 입자의 1mg과 표면적이 같다.

나노입자 형태로 된 물질의 성질은 마이크로미터 크기의 입자로 나누어도 벌크입자와는 특이하게 다르다.[42][43][44]이들 중 다수는 아원자 입자(즉, 전자, 양성자, 광자)와 이들 입자 주위의 전기장의 공간적 구속에서 발생한다.큰 표면 대 부피 비율도 이 척도에서 중요한 요인이다.[14]

대면적/용적비

(>100nm크기에)끊임 없는 물리적 특성을 가지고 있을 것으로 예상되는 벌크 자재 크나 작으나( 같은 열 및 전기 전도성 강성, 인구 밀도와 점성), 나노 입자 나타나지만, 이:입자의 vo의 표층(원자 diameters-wide 몇)의 볼륨이 중요한 일부 다르다.컬럼비아산 대마.e; 반면에 이 분율은 1마이크로미터 이상의 직경을 가진 입자의 경우 미미하다.[citation needed]즉, 표면 면적/체적 비율은 벌크 입자보다 나노 입자의 특정 특성에 더 두드러지게 영향을 미친다.[14]

계면층

참고 항목:나노입자 계면층

다른 구성의 매체로 분산된 나노입자의 경우, 각 입자 표면의 몇 개의 원자 직경 내에 있는 매체의 이온과 분자에 의해 형성된 계면층은 화학적, 물리적 성질을 가릴 수 있거나 변화시킬 수 있다.실제로 그 층은 각 나노입자의 필수적인 부분으로 간주될 수 있다.[7]

용제 친화도

나노 입자의 정지는 입자 표면과 용매와의 상호작용이 밀도 차이를 극복할 수 있을 정도로 강하기 때문에 가능하며, 그렇지 않을 경우 일반적으로 물질이 액체로 가라앉거나 부유하게 된다.

코팅스

올레산, 올릴아민, 히드록실 리간드에 의한 완전 패시브 황화 납의 반도체 나노입자(퀀텀닷) (크기 ~ 5nm)

나노입자는 종종 입자의 물질과 주변 매체와 구별되는 다른 물질의 코팅이 개발되거나 수신된다.단 하나의 분자만 두꺼울 때도 이러한 코팅은 화학 반응성, 촉매 활성도, 현수 안정성과 같은 입자의 특성을 근본적으로 변화시킬 수 있다.

지표면 확산

나노입자 형태의 물질의 높은 표면적은 열, 분자, 이온이 입자로 매우 큰 속도로 확산될 수 있게 한다.반면에 작은 입자 직경은 매우 짧은 시간 내에 확산과 관련하여 전체 물질이 균일한 평형에 도달할 수 있도록 한다.따라서 소결과 같이 확산에 의존하는 많은 공정은 낮은 온도와 짧은 시간 척도로 촉매분석을 유도할 수 있다.

강자성 및 강자성 효과

나노입자의 작은 크기는 그들의 자기와 전기적 특성에 영향을 미친다.는 마이크로 미터 범위의 강자성 재료가 좋은 예:광범위하게 자기 기록 매체에, 그들의 자화 상태의 안정성을 위해 사용된 10nm및 열 에너지의 결과로 보통 온도에서 이렇게 해서 그것들은 그 애플리케이션을 위해 적합하지 않고 자신들의 주(홱 뒤집다)을 바꿀 수 있어 불안정합니다 작았을 뿐이다.[45]

기계적 특성

나노크리스탈의 빈자리 집중 감소는 탈구 상승에 공실 이주가 필요하기 때문에 탈구 운동에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.또한 곡률 반경이 높은 소형 나노입자에는 표면 응력이 존재하기 때문에 내부 압력이 매우 높다.[46]이것은 물질의 작업 강화에서와 같은 방법으로 탈구 운동을 방해하는 것으로 잘 알려진 [47]입자의 크기에 반비례하는 격자 변형률을 유발한다.[48]예를 들어 금 나노입자는 벌크 소재보다 현저하게 단단하다.[49]더욱이 나노입자의 표면 대 체적 비율이 높기 때문에 탈구는 입자 표면과 상호작용할 가능성이 더 높다.특히 이는 탈구원의 성질에 영향을 미치고 탈구가 증식하기 전에 탈구체가 입자를 빠져나오게 하여 탈구 밀도를 떨어뜨려 소성변형의 정도를 감소시킨다.[50][51]

나노스케일의 기계적 특성 측정과 관련된 독특한 난제가 있는데, 보편적 시험 기계와 같은 재래식 수단을 사용할 수 없기 때문이다.그 결과 기존의 전자현미경과 스캐닝 프로브 방식을 보완하는 나노진딩 등 새로운 기법이 개발됐다.[52]원자력 현미경(AFM)을 사용하여 나노진도를 측정하여 경도, 탄성계수, 나노입자와 기질 사이의 접착을 측정할 수 있다.[53]입자 변형은 표본 위로 캔틸레버 팁이 편향되어 측정될 수 있다.그 결과 발생하는 힘-변위 곡선은 탄성 계수를 계산하는 데 사용될 수 있다.[54]그러나 입자 크기와 삽입 깊이가 AFM에 의해 측정된 나노입자의 탄성계수에 영향을 미치는지 여부는 불확실하다.[54]

접착력과 마찰력은 나노 압착, 윤활, 장치 설계, 콜로이드 안정화 및 약물 전달에서 중요한 고려사항이다.[53]모세관 힘은 주변 조건에서 접착력에 주된 기여를 한다.[55]부착력과 마찰력은 AFM 팁이 나노입자로 간주될 경우 캔틸레버 편향으로부터 얻을 수 있다.그러나 이 방법은 팁 재료와 기하학적 모양에 의해 제한된다.[56]콜로이드 탐침 기법은 AFM 팁에 나노입자를 부착하여 크기, 모양, 재료 등을 과도하게 제어할 수 있게 함으로써 이러한 문제를 극복한다.[57]콜로이드 탐침 기술은 접착력을 측정하는 데 효과적인 방법이지만, 1마이크론 이하의 나노입자 1개를 AFM 힘 센서에 부착하는 것은 여전히 어려운 일이다.[57]

또 다른 기술은 자극에 대한 나노구조 반응의 실시간 고해상도 영상을 제공하는 상황 TEM이다.예를 들어 TEM의 현장 힘 프로브 홀더는 쌍성 나노입자를 압축하고 항복 강도를 특성화하는 데 사용되었다.[58]일반적으로 나노입자의 기계적 특성 측정은 나노입자의 균일한 분산, 하중의 정밀한 적용, 최소 입자 변형, 교정, 계산 모델 등 많은 요인에 의해 영향을 받는다.[53]

벌크 자재와 마찬가지로 나노입자의 성질은 물질에 의존한다.구형 폴리머 나노입자의 경우 유리 전이온도와 결정성은 변형에 영향을 미치며, 벌크 소재와 비교했을 때 탄성계수를 변화시킬 수 있다.[53]그러나, 탄성 모듈리의 크기 의존적 행동은 폴리머에 걸쳐 일반화될 수 없었다.[53]결정 금속 나노입자에 대해서는 탈구가 나노입자의 기계적 특성에 영향을 미치는 것으로 밝혀져 결정 나노입자에 탈구가 없다는 기존 관점과 모순된다.[53]

용융점우울증

물질은 나노입자 형태의 용융점이 벌크 형태보다 낮을 수 있다.예를 들어 2.5nm 금 나노입자는 약 300°C에서 녹는 반면 벌크 금은 1064°C에서 녹는다.[59]

양자역학 효과

나노 크기의 물체에서 양자역학 효과가 눈에 띈다.[60]반도체 입자의 양자 구속, 일부 금속 입자의 국부적 표면 플라스몬[60], 자성 물질의 초파라믹 등이 그것이다.양자점은 반도체 물질의 나노 입자로 전자 에너지 수준을 계량화할 수 있을 만큼 작다(일반적으로 10nm 이하).

퀀텀 효과는 금이나 실리콘 나노기기의 적색부터 흑색까지, 나노입자 정지의 원인이 된다.[59]태양 복사 흡수는 나노 입자로 구성된 물질이 연속된 물질의 얇은 막보다 훨씬 더 높다.태양열과 태양열 애플리케이션 모두에서 입자의 크기, 형태 및 물질을 제어함으로써 태양 흡수를 조절할 수 있다.[61][62][63][64]

코어 쉘 나노입자는 전기 공진과 자기 공진을 동시에 지원할 수 있어 공진도가 적절하게 설계되어 있는 경우 맨 금속 나노입자와 비교할 때 완전히 새로운 특성을 나타낸다.[65][66][67]서로 다른 두 금속에서 코어 쉘 구조가 형성되면 일반적으로 상향 변환 나노입자와 하향 변환 나노입자에서 발견되는 노심과 쉘 사이의 에너지 교환이 가능하며, 방출 파장 스펙트럼의 변화를 일으킨다.[68]

플라스모닉 코어(금속)-쉘(유전) 나노입자는 유전층을 도입해 산란력을 높여 빛 흡수를 강화한다.최근 금속 코어-유전 쉘 나노입자는 표면 플라스몬이 태양전지 앞에 위치할 때 실리콘 기질에 전방 산란 강화와 함께 0 역방향 산란 현상을 보였다.[69]

정규포장

충분히 균일한 크기의 나노입자는 콜로이드 결정체를 형성하면서 자연적으로 규칙적인 배열로 정착할 수 있다.이러한 배열은 광자 결정에서 관찰되는 것과 같은 원래의 물리적 특성을 나타낼 수 있다.[70][71]

생산

인공 나노입자는 금속, 유전체, 반도체를 포함한 어떤 고체 또는 액체 물질에서도 만들어질 수 있다.그것들은 내부적으로 균질하거나 이질적일 수 있다(예:[65][66][67] 코어-셸 구조).

나노입자를 만드는 방법에는 기체 응축, 소모, 화학적 강수,[72] 이온 이식, 열분해 및 열수합성, 생합성 등 여러 가지가 있다.[73]

기계적인

부서질 수 있는 매크로 또는 마이크로 스케일 고형 입자는 볼 밀, 행성 볼 밀 또는 다른 크기 감소 메커니즘에서 나노 크기의 범위에 충분히 들어갈 때까지 접지될 수 있다.그 결과로 생긴 분말은 공기를 분류하여 나노입자를 추출할 수 있다.[74][75][76]

바이오폴리머의 고장

셀룰로오스, 리긴, 치틴 또는 전분 같은 바이오폴리머는 비등방성 섬유 또는 바늘과 같은 나노 입자를 얻기 위해 각각의 나노 크기의 건물로 분해될 수 있다.생물 고분자는 화학적 산화 또는 효소 처리와 결합하여 기계적으로 분해되어 분해를 촉진하거나 산을 이용하여 가수분해한다.

열분해

나노입자를 만드는 또 다른 방법은 가스(예: 메탄)나 에어로졸과 같은 적절한 전구체를 연소나 열분해로 고체 입자로 바꾸는 것이다.이는 탄화수소나 기타 유기 증기를 연소시켜 그을음을 발생시키는 것을 일반화한 것이다.

전통적인 열분해로 인해 단일 1차 입자보다는 집적체와 응집체가 발생하는 경우가 많다.이러한 불편은 초음파 노즐 스프레이 열분해로 방지할 수 있으며, 이때 고압에서 오리피스를 통해 전구 액체가 강제된다.

플라즈마로부터의 응축

실리카와 기타 산화물, 탄화수소, 질화수소 등 내화물질의 나노입자는 1만 켈빈에 이를 수 있는 열 플라즈마로 고체를 기화시킨 다음 적절한 가스나 액체로 팽창하거나 침전시켜 증기를 응축시켜 만들 수 있다.플라스마는 dc 제트, 전기 아크 또는 무선 주파수(RF) 유도에 의해 생성될 수 있다.금속 와이어는 폭발하는 와이어 방식에 의해 기화될 수 있다.

RF 유도 플라즈마 횃불에서는 유도 코일에 의해 발생하는 전자기장을 통해 플라즈마에 대한 에너지 커플링이 이루어진다.플라즈마 가스는 전극과 접촉하지 않기 때문에 가능한 오염원을 제거하고 불활성, 감소, 산화 및 기타 부식성 대기를 포함한 광범위한 기체에서 그러한 플라즈마 횃불을 작동할 수 있다.작동 주파수는 일반적으로 200 kHz ~ 40 MHz이다. 실험실 장치는 30–50 kW의 순서로 전원 레벨로 작동하지만, 대규모 산업 단위는 최대 1 MW의 전력 레벨에서 시험되었다. 플라즈마에서 주입된 공급 물방울의 체류 시간이 매우 짧기 때문에 드롭릿 크기가 충분히 작다는 것이 중요하다.완전 증발하기 위해서

불활성 가스 응축

불활성 가스 응축은 금속 나노 입자를 생성하기 위해 자주 사용된다.금속은 불활성 기체의 감소된 대기를 포함하는 진공실에서 증발된다.[77]과포화 금속 증기의 응축은 나노미터 크기의 입자를 생성하게 되는데, 이 입자는 불활성 가스 흐름 속에 들어가 기질에 침전되거나 현장에서 연구될 수 있다.초기 연구는 열 증발을 기반으로 했다.[77]금속 증기를 만들기 위해 자석론 스퍼터를 사용하면 더 높은 수율을 달성할 수 있다.[78]이 방법은 적절한 금속 표적을 선택하여 나노입자를 합금하도록 쉽게 일반화할 수 있다.입자가 두 번째 금속 증기를 통해 이동하는 순차적 성장 방식을 사용하면 코어 쉘(CS) 구조가 성장한다.[79][80][81]

방사분해법

a) Ni 및 Ni@Cu 코어@나노파티클의 에너지 분산형 X선(EDX) 매핑에 의해 자석 분쇄 불활성 가스 응축(inset: size distribution)[82] 및 b)이 성장한 Hf 나노입자의 전송전자현미경(TEM) 이미지.[80]

나노입자는 또한 방사선 화학물질을 사용하여 형성될 수 있다.감마선에서 방사선을 방출하면 용액에서 강한 활성 활성 활성 활성산소를 만들 수 있다.이 비교적 간단한 기술은 최소한의 화학물질을 사용한다.이것들은 물, 용해성 금속 소금, 과격분자(종종 2차 알코올), 계면 활성제(유기농 캡핑제)를 포함한다.104 Gray의 순서로 높은 감마선량이 필요하다.이 과정에서 활성산소를 줄이면 금속 이온이 제로밸런스 상태로 떨어진다.금속의 재산화를 방지하기 위해 비산성 화학물질이 산화 활성산소와 우선적으로 상호작용할 것이다.일단 제로밸런스 상태에 들어가면, 금속 원자는 입자로 합쳐지기 시작한다.화학 계면활성제는 형성되는 동안 입자를 둘러싸고 그것의 성장을 조절한다.충분한 농도에서 계면활성제 분자는 입자에 부착된 상태를 유지한다.이것은 그것이 다른 입자와 분리되거나 군집을 형성하는 것을 방지한다.방사성분해법을 이용한 나노입자 형성은 전구체 농도와 감마선량을 조절해 입자 크기와 모양을 맞춤형으로 조절할 수 있다.[83]

습화학

특정 물질의 나노입자는 적절한 화합물의 용액이 혼합되거나 다른 방법으로 처리되어 원하는 물질의 불용성 침전물을 형성하는 "습한" 화학적 과정에 의해 생성될 수 있다.후자의 입자의 크기는 시약의 농도와 용액의 온도를 선택하고 액체의 점도와 확산율에 영향을 미치는 적절한 불활성제를 첨가하여 조절한다.서로 다른 매개변수를 가진 동일한 일반 프로세스는 에어로겔 및 기타 다공성 네트워크와 같은 동일한 물질의 다른 나노스케일 구조를 산출할 수 있다.[84]

그런 다음 이 방법에 의해 형성된 나노입자는 증발, 침전, 원심분리, 세척, 여과 등의 조합에 의해 반응의 용매와 수용성 부산물로부터 분리된다.또는 입자가 어떤 고체 기질 표면에 침전되도록 되어 있다면, 시작 용액은 그 표면에 디핑이나 스핀 코팅을 하여 코팅할 수 있고, 반응은 제자리에 수행될 수 있다.

이 과정에서 발생하는 나노입자의 정지는 콜로이드의 한 예다.이 방법의 대표적인 예로는 금속 알크산화물 및 염소화물의 가수분해로 금속 산화물 또는 수산화 나노입자를 생산하는 것이다.[85][5]

값싸고 편리한 것 외에도, 습식 화학적 접근은 입자의 화학적 구성을 미세하게 제어할 수 있게 해준다.유기 염료나 희토류 금속과 같은 소량의 도파제라도 시약 용액에 도입될 수 있는 것은 결국 최종 제품에서 균일하게 흩어지게 된다.[86][87]

이온 이식

이온 삽입은 사파이어와 실리카와 같은 유전 물질의 표면을 처리하여 금속 또는 산화 나노 입자의 표면 근사분산을 가진 복합체를 만들 때 사용될 수 있다.[citation needed]

기능화

나노입자의 많은 특성들, 특히 안정성, 용해성, 그리고 화학적, 생물학적 활동들은 기능화라고 불리는 과정인 다양한 물질로 그것들을 코팅함으로써 근본적으로 변화될 수 있다.기능성 나노물질 기반 촉매들은 알려진 많은 유기 반응의 촉매에 사용될 수 있다.

예를 들어 그래핀 입자의 정지는 갈산군과의 기능화에 의해 안정될 수 있다.[88]

생물학적 용도의 경우 높은 수용성을 제공하고 나노입자 집적을 방지하기 위해 표면 코팅은 극성이어야 한다.혈청이나 세포 표면에서 고차지 코팅은 비특정적 결합을 촉진하는 반면, 단자 히드록실 또는 메톡시 그룹에 연결된 폴리에틸렌 글리콜은 비특정적 상호작용을 배제한다.[89][90]

나노입자는 주소표 역할을 할 수 있는 생물학적 분자와 연결될 수 있으며, 세포 내의 신체 특정[91] 기관지 내의 특정 부위로 유도하거나,[92] 살아있는 세포에서 개별 단백질이나 RNA 분자의 움직임을 구체적으로 따르도록 할 수 있다.[93]일반적인 주소 태그는 단핵 항체, 압타머, 스트렙타비딘 또는 펩타이드 입니다.이러한 표적화 작용제는 이상적으로 나노입자와 공동연계되어야 하며 나노입자당 통제된 숫자로 존재해야 한다.다발성 나노입자는 다발성 표적군을 갖고 있어 수용체를 군집시킬 수 있어 세포 신호 경로를 활성화할 수 있고, 보다 강한 닻을 내릴 수 있다.단일 결합 부위가 있는 모노밸런스 나노입자는 [94][95][96]군집화를 피하므로 개별 단백질의 행동을 추적하는 것이 바람직하다.

기능화된 나노입자 촉매의 촉매 활성과 소결률은 나노입자의 수 밀도와[97] 상관관계가 있는 것으로 나타났다.

적혈구를 모방한 코팅은 나노입자가 면역체계를 피하도록 도울 수 있다.[98]

균일성 요구사항

민간, 산업, 군사 분야의 고성능 기술 부품의 화학 처리 및 합성을 위해서는 고순도 세라믹(알루미늄 산화물이나 구리 등 산화 세라믹)을 사용해야 한다.II) 산화물), 중합체, 유리 세라믹스 및 복합 재료로서 금속 카바이드(SiC), 질화물(알루미늄 질화물, 실리콘 질화물), 금속(Al, Cu), 비금속(그래프, 탄소 나노튜브) 및 층(Al + 알루미늄 탄산염, Cu + Cu)을 사용한다.미세한 가루로 형성된 응축체에서는 일반적인 분말의 불규칙한 입자 크기와 모양이 분말 컴팩트의 패킹 밀도 변화를 일으키는 균일하지 않은 포장 형태로 이어지는 경우가 많다.

매력적인 판데르 발스 세력으로 인한 분말의 통제되지 않은 응집 또한 미세구조적 이질성을 야기할 수 있다.균일하지 않은 건조수축으로 인해 발생하는 미분응력은 용매를 제거할 수 있는 속도와 직접 관련이 있으므로 다공성 분포에 따라 크게 좌우된다.그러한 스트레스는 연결기구의 플라스틱 대 깨지기 쉬운 전환과 관련이 있으며, 완화되지 않으면 미사용 기구의 균열 확산에 영향을 미칠 수 있다.[99][100][101]

또한 가마에 대비하여 콤팩트 내 패킹 밀도의 변동은 소결 과정에서 증폭되어 이질적 밀도를 산출하는 경우가 많다.밀도 변화와 관련된 일부 모공 및 기타 구조적 결함은 엔드포인트 밀도를 증가시켜 제한함으로써 소결 과정에서 해로운 역할을 하는 것으로 나타났다.균질하지 않은 밀도에서 발생하는 차분 응력 또한 내부 균열의 전파를 초래하여 강도 제어 결함을 초래하는 것으로 나타났다.[102][103][104]

불활성 기체 증발과 불활성 기체 증착은[31][32] 공정의 증류(cf. 정화) 특성 때문에 이러한 결함의 많은 부분이 자유롭고 단일 결정 입자를 형성할 수 있는 충분한 시간을 갖지만, 비응고 침전물조차도 나노 입자에 전형적으로 나타나는 대수 정규 크기 분포를 가지고 있다.[32]현대 가스 증발 기법이 비교적 좁은 크기 분포를 만들 수 있는 이유는 집계를 피할 수 있기 때문이다.[32]그러나 이 경우에도 표류 및 확산의 조합으로 인해 성장 구역의 무작위 거주 시간은 로그 정규 분포를 나타내는 결과를 초래한다.[33]

따라서 녹색 밀도를 극대화할 입자 크기 분포를 사용하기보다는 성분 분포와 다공성 분포와 관련하여 물리적으로 균일하게 물질을 처리하는 것이 바람직해 보일 것이다.정지 상태에서 강하게 상호작용하는 입자의 균일하게 분산된 어셈블리를 격납하려면 인터피사 힘에 대한 완전한 통제가 필요하다.모노디스피어 나노입자와 콜로이드들은 이러한 잠재력을 제공한다.[105]

특성화

주요 기사:나노입자의 특성화

나노입자는 화학적 구성과 농도가 충분한 지표인 기존 화학 물질과 다른 분석 요건을 가지고 있다.나노입자는 크기, 형태, 표면 특성, 결정성, 분산 상태 등 완전한 설명을 위해 측정해야 하는 다른 물리적 특성을 가지고 있다.또한 샘플링 및 실험실 절차는 분산 상태를 교란하거나 다른 특성 분포의 편향을 일으킬 수 있다.[106][107]환경적 맥락에서, 많은 방법들이 여전히 부정적인 영향을 미칠 수 있는 낮은 농도의 나노입자를 감지할 수 없다는 것이 추가적인 도전이다.[106]나노입자는 물, 토양, 식품, 폴리머, 잉크, 화장품과 같은 유기 액체의 복합 혼합물 또는 혈액과 같은 복잡한 매트릭스에서 특성화할 수 있다.[108][109]

나노입자를 특성화하는 데 사용되는 방법에는 몇 가지 전반적인 범주가 있다.현미경 검사법은 각각의 나노 입자의 모양, 크기, 위치를 특징 짓기 위해 이미지를 생성한다.전자현미경 검사와 탐침 현미경 검사가 지배적인 방법이다.나노입자는 가시광선의 회절 한계 이하 크기 때문에 기존의 광학 현미경 검사는 유용하지 않다.전자현미경은 원소 분석을 수행할 수 있는 분광학적 방법과 결합될 수 있다.현미경 검사 방법은 파괴적이며 검체 준비 또는 탐침 현미경 스캔의 경우 탐침 팁 기하학에서 원하지 않는 아티팩트가 발생할 수 있다.또한 현미경 검사는 단일 입자 측정에 기초하며, 이는 많은 수의 개별 입자가 그 부피 특성을 추정하기 위해 특성화되어야 함을 의미한다.[106][108]

파장의 함수로 전자기 방사선과 입자의 상호작용을 측정하는 분광학(spectroscopy)은 일부 나노입자의 부류가 농도, 크기, 형태를 특성화하는 데 유용하다.나노입자와 함께 X선, 자외선-가시성, 적외선, 핵자기공명 분광기를 사용할 수 있다."그래핀 산화물 및 흑연에서 100 MeV 금 이온 조사에 의한 구조, 기능 및 자기 주문 수정"진공청소기.182: 109700. 2020-12-01. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109700</ref>[106][108] 레이저 광선, X선 또는 중성자 산란법을 이용한 빛 산란법을 사용하여 입자 크기를 결정하는데, 각 방법은 크기 범위와 입자 구성에 적합하다.[106][108]몇몇 잡다한 방법들은 표면전하를 위한 전기영양법이다, 브루나우어-엠메트–표면적을 위한 텔러 방식, 결정구조를 위한 X선 회절법,[106] 입자 질량을 위한 질량분석법, 입자번호에 대한 입자 계수기.[108]크로마토그래피, 원심분리, 여과 기법을 사용하여 크기별 나노입자를 분리하거나 특성화 이전이나 도중에 다른 물리적 성질을 분리할 수 있다.[106]

건강과 안전

참고 항목:나노물질, 미립자 및 나노독성학의 건강 및 안전위험

나노입자는 의학적으로나 환경적으로나 가능한 위험을 나타낸다.[110][111] [112][113] 이 중 대부분은 표면 대 부피 비율이 높기 때문에 입자가 매우 반응적이거나 촉매적이 될 수 있다.[114]그들은 또한 인광 빌레이어를[115] 기반으로 하여 유기체의 세포막을 통과하는 것으로 생각되며, 생물학적 시스템과의 상호작용은 비교적 알려져 있지 않다.[116][117]그러나 입자의 크기와 세포간 응집성으로 인해 입자가 세포핵, 골지 복합체, 소포체 망막 또는 기타 내부 세포 구성요소로 들어갈 가능성은 낮다.[118]ZnO 나노입자가 인간의 면역세포에 미치는 영향을 살펴본 최근의 연구는 세포독성에 대한 다양한 민감도를 발견했다.[119]기존 의약품의 나노개혁에 대한 규제승인을 구하려는 제약사들이 이전 개정 전 버전의 의약품 임상연구에서 생산된 안전데이터에 의존하고 있다는 우려가 나온다.이것은 FDA와 같은 규제 기관들이 나노 개혁과 관련된 새로운 부작용을 놓치는 결과를 초래할 수 있다.[120]그러나 아연 나노입자가 체내 혈류로 흡수되지 않는다는 것은 상당한 연구결과가 입증되었다.[121]

특정 연소 과정에서 발생하는 호흡성 나노입자의 건강 영향에 대한 우려도 제기됐다.[122][123]임상 전 조사 결과 일부 고귀한 금속 나노 건축물을 흡입하거나 주입한 결과 유기체의 지속성을 회피하는 것으로 나타났다.[124][125]미국 환경보호국은 2013년 현재 다음과 같은 나노입자의 안전을 조사하고 있다.[126]

  • 탄소 나노튜브:탄소 소재는 차량 및 스포츠 장비에 사용되는 합성물부터 전자부품용 집적회로까지 다양한 용도를 가지고 있다.탄소 나노튜브와 같은 나노물질과 천연 유기물질 사이의 상호작용은 그들의 집적과 퇴적 모두에 강한 영향을 미치며, 이것은 수생환경에서 그들의 이동, 변형, 노출에 강한 영향을 미친다.과거 연구에서 탄소 나노튜브는 현재의 EPA 화학 안전 연구에서 다양한 환경 설정에서 평가될 독성학적 영향을 보였다.EPA 연구는 탄소 나노튜브의 급성 건강 영향을 발견하고 이를 예측하는 방법을 식별하기 위한 데이터, 모델, 테스트 방법 및 모범 사례를 제공할 것이다.[126]
  • 세륨 산화물:산화나노스케일 세륨은 전자제품, 바이오의약품, 에너지, 연료첨가물에 사용된다.공학적 세륨 산화물 나노입자의 많은 용도는 자연적으로 환경으로 분산되어 노출의 위험을 증가시킨다.CeO2 나노입자가 함유된 연료첨가물을 이용한 새로운 디젤 배출에 대한 노출이 계속되고 있으며, 이 신기술의 환경 및 공중 보건 영향은 알려지지 않고 있다.EPA의 화학안전 연구는 나노기술이 가능한 디젤 연료 첨가제의 환경, 생태, 건강 영향 등을 평가하고 있다.[126]
  • 이산화티타늄:나노 이산화티타늄은 현재 많은 제품에 사용되고 있다.입자의 종류에 따라 자외선 차단제, 화장품, 페인트와 코팅제 등에서 발견되기도 한다.식수에서 오염물질을 제거하는 데도 활용 여부를 조사 중이다.[126]
  • 나노 실버: 나노 실버는 박테리아를 제거하기 위해 섬유, 의류, 식품 포장 및 기타 재료에 통합되고 있다.EPA와 미국 소비자제품안전위원회는 나노 크기의 은 입자를 실제 시나리오에서 전달하는지 여부를 확인하기 위해 특정 제품을 연구하고 있다.EPA는 이 주제를 연구하여 아이들이 환경에서 얼마나 많은 나노 실버와 접촉하는지를 더 잘 이해하고 있다.[126]
  • 철: 나노 스케일 철은 광학 광학 광학 광학 등의 용도에 사용되는 "스마트 유체"와 더 잘 흡수되는 철 영양 보충제로서 많은 용도로 연구되고 있지만, 그것의 더 두드러진 전류 사용 중 하나는 지하수의 오염을 제거하는 것이다.EPA 연구에 의해 뒷받침된 이 사용은 미국 전역의 여러 현장에서 시범적으로 시행되고 있다.[126]

규정

2016년 현재 미국 환경보호국은 조건부로 4년 동안 2 나노물질 농약만 성분으로 등록했다.EPA는 나노스케일 성분을 나노스케일이 아닌 성분과 구별하지만 독성의 잠재적 변화에 대한 과학적 자료는 거의 없다.테스트 프로토콜은 여전히 개발되어야 한다.[127]

적용들

소비자 제품에 사용되는 나노물질의 가장 보편적인 형태학으로서 나노입자는 잠재력과 실제 적용 범위가 매우 넓다.아래 표에는 세계 시장에서 구할 수 있는 다양한 제품 유형에 가장 많이 사용되는 나노입자가 요약되어 있다.

나노입자에 대한 과학적인 연구는 그것들이 의학,[128][129][130] 물리학, 광학,[131][132][133] 전자공학에서 많은 잠재적인 응용을 가지고 있기 때문에 치열하다.[66][62][60][63]미국 국립 나노기술 이니셔티브는 나노입자 연구에 초점을 맞춘 정부 기금을 제공한다.2003년 레이저 염료 도포 폴리(Methyl Metacrylate) 레이저 게인 매체에서 나노입자를 사용한 것이 실증되었으며, 변환 효율을 향상시키고 레이저 빔의 분비를 감소시키는 것으로 나타났다.[134]연구자들은 빔 분산이 줄어든 것은 유기농 염료 도핑 나노콤포사이트의 dn/dT 특성이 개선됐기 때문으로 보고 있다.이들 연구진이 보고한 최적 조성은 염료 도포 PMMA에서 SiO2 30% w/w(~12nm)로 나노입자가 잠재적 약물전달 시스템으로 조사되고 있다.[135]약물, 성장 요인 또는 다른 생체 분자는 목표 전달을 돕기 위해 나노 입자로 결합될 수 있다.[136]이 나노입자 보조배달은 적재된 약물의 공간적 및 시간적 통제를 가능하게 하여 가장 바람직한 생물학적 결과를 얻을 수 있다.나노입자는 생물학적으로 활성인 물질을 전달하기 위한 식이 보조제로서 가능한 응용을 위해 연구되기도 한다.[137] 예를 들어 광물 원소.

폴리머 보강재

점토 나노입자는 폴리머 매트릭스에 통합될 경우 보강을 증가시켜 플라스틱을 강화시켜 유리 전환 온도 및 기타 기계적 특성 테스트를 통해 검증 가능하다.이 나노입자는 단단하며, 그 성질을 고분자(플라스틱)에 전달한다.나노입자는 또한 스마트하고 기능적인 의복을 만들기 위해 섬유 섬유에 부착되었다.[138]

액상 속성 튜너

고체 또는 액체 매체에 나노입자를 포함시키면 탄성, 가소성, 점성, 압축성과 같은 기계적 성질을 상당히 변화시킬 수 있다.[139][140]

광투석

가시광선의 파장보다 작기 때문에 나노입자는 그 파장의 투명성에 영향을 주지 않고 투명한 매체로 분산될 수 있다.이 특성은 광투석과 같은 많은 응용 분야에서 이용된다.[citation needed]

도로포장

나노입자를 통한 아스팔트 개조는 아스팔트 재료의 내구성을 높이는 새로운 관점을 제공하는 아스팔트 포장 공학에서 흥미로운 저비용 기법으로 간주될 수 있다.[141]

바이오메디컬

나노 크기의 입자는 현미경 검사에서 약물 운반자나 영상 대조약으로 생체 의학 용도에 사용된다.비등방성 나노입자는 생체 분자 검출에 좋은 후보물질이다.[14]

자외선 차단제

이산화티타늄 나노입자는 자가 세척 효과로 알려진 것을 전달하는데, 이것은 페인트와 다른 제품에 유용한 수분 재생성 및 항균성을 제공한다.산화아연 나노입자는 자외선이 차단되는 특성이 우수하고 자외선 차단 로션의 조성에 널리 사용되며 [142]독성이 있지만 완전히 광자가[143] 가능하다.[144][145][146][147][148][149]

공업지역별 화합물

산업부문별[citation needed] 소비재에서 일반적으로 사용되는 다양한 나노입자 화학 화합물
아니요. 산업 부문 나노입자
1 농업 은, 이산화규소, 칼륨, 칼슘, 철, 아연, 인, 붕소, 산화아연, 몰리브덴
2 자동차의 텅스텐, 이황산화물 이산화질소, 점토, 이산화티타늄, 이산화질소, 다이아몬드, 구리, 코발트산화물, 산화아연, 질화 붕소, 이산화질소, 이산화지르코늄, 텅스텐, γ-산화질소, 붕소, 팔라듐, 백금, 세륨().IV) 산화물, 카르나우바, 알루미늄 산화물, 은, 탄산칼슘 및 황산칼슘
3 건설 티타늄, 이산화디옥실리콘, 은, 점토, 알루미늄 산화물, 탄산 칼슘 규산염 하이드레이트, 탄소, 알루미늄 인산염 세륨().IV) 산화물과 수산화칼슘
4 화장품 은, 이산화티타늄, 이산화 탄소, 산화아연, 이산화규소, 점토, 규산나트륨, 코지산, 히드록시산
5 전자제품 은, 알루미늄, 이산화규소, 팔라듐
6 환경 은, 이산화티타늄, 산화 탄소망간, 점토, 금, 셀레늄
7 음식 은, 점토, 이산화티타늄, 금, 산화아연, 이산화규소, 칼슘, 구리, 아연, 백금, 망간, 팔라듐, 탄소
8 가전제품 은, 산화아연, 이산화규소, 다이아몬드, 이산화티타늄
9 약[150] 은, 금, 히드록사파타이트, 점토, 이산화티타늄, 이산화규소, 이산화규소, 이산화규소, 이산화탄소, 탄소, 다이아몬드, 알루미늄 산화물 및 이터비움 트리플루오라이드
10 석유를 넣다 텅스텐, 이황화수소, 이산화규소, 이산화규소, 다이아몬드, 클레이, 붕소, 아질산 붕소, 은, 티타늄, 이산화 텅스텐, aluminium-산화규소, 탄소, 몰리브덴, ulf-산화질소
11 인쇄 프린터에 의해 종이 또는 기타 기질에 침전된 토너
12 재생 에너지 티타늄, 팔라듐, 이황화 텅스텐, 이산화규소, 점토, 흑연, 지르코늄().IV) 산화-yttria 안정화, 탄소, gd 도핑-세륨(IV) 산화물, 니켈 코발트 산화물, 니켈().II) 산화물, 로듐, sm 도핑-세륨은 (IV) 산화물, 스트론튬 타이탄산 바륨 및 은
13 운동과 체력 은, 이산화티타늄, 금, 점토, 탄소
14 직물의 은, 탄소, 이산화티타늄, 황화 구리, 점토, 금, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 이산화 규소

참고 항목

참조

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