ナノ粒子の合成と集合

ナノ粒子の合成と集合とは、溶液中で制御されたサイズと形状を持つ金属および無機粒子を製造し、それらを秩序だった超構造に組織化する化学である。

Definition

ナノ粒子の合成とは、通常は溶液中で、定義されたサイズ、形状、および組成を持つナノメートルスケールの粒子を制御された方法で形成することであり、集合とは、そのような粒子を秩序だった2次元または3次元の配列に組織化することである。この配列では、集合的な挙動が個々の粒子の挙動とは異なる場合がある。

Scope

このトピックでは、ナノ粒子のボトムアップ溶液相調製について扱う。具体的には、コロイド系における核生成と成長、サイズと形状の制御におけるキャッピング配位子と界面活性剤の役割、金属および酸化物粒子への還元および分解経路、そして単分散生成物をもたらす核生成と成長の分離である。また、乾燥、配位子相互作用、または鋳型形成によってナノ粒子が超格子や機能性膜へと集合するメカニズムについても扱う。

Core questions

• 核生成と成長はナノ粒子のサイズ分布をどのように制御するのか？
• 配位子と界面活性剤は形状制御においてどのような役割を果たすのか？
• 単分散ナノ粒子はどのようにして得られるのか？
• ナノ粒子はどのようにして秩序だった超構造に集合させることができるのか？

Key concepts

• 核生成と成長
• キャッピング配位子と界面活性剤
• 単分散性
• 異方性形状制御
• ナノ粒子超格子
• 鋳型指向性集合

Key theories

核生成と成長の分離

単分散ナノ粒子は、核生成のバーストに続いて拡散律速成長が起こり、すべての粒子が同じ時間成長することによって得られる。この分離を制御することが、狭いサイズ分布をもたらすコロイド合成の基礎となる。

配位子指向性形状制御と自己集合

界面活性剤およびキャッピング分子は、異なる結晶面に選択的に吸着して異方性成長を誘導し、蒸発時に単分散粒子が秩序だった超格子へと自己組織化することを可能にする粒子間力を媒介する。

Mechanisms

前駆体の還元または分解によりモノマーが蓄積され、過飽和が核のバーストを誘発する。これらの核はモノマーの付加とオストワルド熟成によって成長し、同時に吸着した配位子が表面を覆い、最終的なサイズを決定し、面選択的な成長とそれに続く秩序だった集合を指示する。

Clinical relevance

制御されたナノ粒子合成は、調整されたファセットを持つ触媒、センシングおよびイメージング用のプラズモン金および銀粒子、データストレージおよび分離用の磁性粒子、そして秩序だったナノ粒子アレイから組み立てられるメタマテリアルの構成要素を提供する。

History

20世紀半ばのラメールによるバースト核生成とその後の制御された成長のモデルは、単分散コロイドを製造するための概念的基礎を提供した。20世紀後半における配位溶媒および界面活性剤化学の進歩は、エル＝サエドらによって要約されているように、サイズと形状を日常的に制御可能にし、その結果得られた均一な粒子は、自己組織化ナノ粒子超格子の研究を可能にした。

Key figures

• Mostafa El-Sayed
• Victor LaMer
• Geoffrey Ozin

Seminal works

• elsayed2005
• ozin2009

Frequently asked questions

均一なナノ粒子を得るために、核生成と成長を分離することがなぜ重要なのか？

他の粒子が成長している間に新しい粒子が核生成し続けると、最終的な集団は幅広い年齢、したがって幅広いサイズにわたることになる。核生成を短いバーストに集中させ、その後は成長のみが起こるようにすることで、すべての粒子がほぼ同じ時間成長し、ほぼ同じサイズになることが保証される。

ナノ粒子超格子は何によって結合しているのか？

秩序だったナノ粒子アレイは、主に粒子を覆う有機配位子間の相互作用と、無機コア間のファンデルワールス引力によって結合している。これらの柔らかく調整可能な力により、単分散粒子は原子が結晶に充填されるのと同様に、結晶性超格子へと密に充填される。