纳米化学

**奈米化學**是化學和奈米科學的交叉學科。奈米化學與根據尺寸、表面、形狀和缺陷特性而合成的構件有關。通過進行奈米尺度上的幾種化學修飾，科學家們證實了奈米化學材料具有尺寸依賴性。奈米化學在化學、材料、物理、科學、工程、生物和醫學等領域均有廣泛的應用。奈米化學和其他奈米科學領域的核心概念相同，但這些概念的用法不同。

奈米化學可以由尺寸、形狀、自組裝、缺陷和生物奈米等概念來描述，任何新的奈米結構的合成都與這些概念有關。奈米結構的合成取決於表面、尺寸和形狀將如何引導構件自組裝成功能結構。它們可能存在功能缺陷，也可能在電學、光學、醫學或生物分析等問題上有用。合成碳奈米材料，如碳奈米管（CNT）、石墨烯和富勒烯等，就是一個很好的例子。這些材料因其優異的機械性能和電性能近年來備受關注。

二氧化矽、金、聚二甲基矽氧烷、硒化鎘、氧化鐵和碳等材料都顯示了奈米化學的轉化能力。奈米化學可以將氧化鐵（鐵鏽）製成核磁共振最有效的造影劑，它具有檢測癌症的能力，甚至可以將癌症扼殺在萌芽階段。二氧化矽（玻璃）可以用來彎曲或阻擋光線。開發中國家也用矽膠做流體迴路，以達到已開發國家的病原體檢測能力。碳已經以不同的形狀和形式得到了應用，它將成為電子材料中較好的選擇。

總的來說，奈米化學與化合物的原子結構無關。相反，它涉及的是將材料轉化為解決問題的不同方法。化學主要處理元素週期表中原子的自由度，但是奈米化學帶來了控制材料行為的其他自由度。

## 奈米形貌

奈米形貌是指出現在奈米尺度上的特定表面特徵。在工業上，奈米光刻的應用通常包括電學和人工製造的表面特性。然而，自然界的表面特性也包括在這個定義中，如分子級的細胞相互作用和動物和植物的紋理器官。自然界中的這些奈米形貌特徵具有獨特的用途，有助於調節生物機體的調節和功能，因為奈米形貌特徵在細胞中極為敏感。

## 奈米光刻

奈米光刻是在表面上人工產生奈米形貌蝕刻的過程。許多實際應用都利用了奈米光刻技術，包括計算機中的半導體晶片。奈米光刻技術有很多類型，主要包括：

* 光刻
* 電子束曝光 (EBL)
* X 射線光刻
* 極紫外光刻 (EUVL)
* 光耦合奈米光刻 (LCM)
* 掃描探針顯微鏡 (SPM)
* 奈米壓印光刻
* 浸筆式奈米光刻
* 軟微影技術

每一種奈米光刻技術都有不同的解析度、時間消耗和成本等因素。奈米光刻技術有三種基本方法。一種是使用一種抗蝕材料，這種材料作為 "掩模" 來覆蓋和保護表面上需要光滑的部分。現在可以蝕刻掉未覆蓋的部分，並用保護材料作為模板。第二種方法是直接雕刻所需的圖案。蝕刻可能涉及使用量子粒子束，如電子或光，或化學方法，如氧化或 SAM（自組裝單層）等。第三種方法是將所需的圖案直接放置在表面上，產生最終產品，比原來的表面厚幾奈米。為了使要製作的表面可視化，必須用奈米解析度的顯微鏡對表面進行可視化，這兩種顯微鏡包括掃描探針顯微鏡（SPM）和原子力顯微鏡（AFM）。這兩種顯微鏡也可以參與最終產品的加工。

### 單層自組裝

奈米光刻的方法之一是使用自組裝單層膜（SAM）的方法，該方法為軟方法。SAM 是各種長鏈，可在金表面自組裝，形成有序的單層膜。這種方法的優點是創造一個高質量的結構，其橫向尺寸為 5 奈米到 500 奈米。在這種方法中，通常使用由聚二甲基矽氧烷（PDMS）製成的圖案化彈性體作為掩膜。為了製作 PDMS 印章，第一步是在矽晶片上塗覆一層光致抗蝕劑。下一步是用紫外光曝光該層，然後用顯影劑洗掉曝光的光刻膠。為了降低預聚物的厚度，在圖案母材上用全氟烷基三氯矽烷處理，這些 PDMS 彈性體可用於在平面和曲面上印製微米和亞微米設計化學油墨，以達到不同的目的。

## 應用領域

### 藥物

奈米化學的一個研究較多的應用是醫學。利用奈米化學技術的一種簡單的護膚品就是防曬霜。防曬霜中含有氧化鋅和二氧化鈦的奈米顆粒，這些奈米化學物通過吸收或反射光線，保護皮膚免受有害紫外線的傷害，並通過光激發奈米顆粒中的電子，防止皮膚受到損傷。粒子的激發作用有效地阻斷了皮膚細胞對 DNA 的損傷。

#### 藥物遞送

涉及奈米技術方法的新興給藥方法可通過改善身體反應，特異性靶向以及有效的無毒代謝而獲得優勢。許多奈米技術方法和材料可以被功能化用於藥物遞送。理想的材料採用受控激活的奈米材料的奈米材料來攜帶藥物「貨物」進入體內。中孔洞二氧化矽奈米顆粒（Mesoporous silica nanoparticles，MSN）由於其較大的表面積和可進行各種單獨修飾的靈活性，同時在成像技術下顯示出高解析度性能，因此在研究中的應用日益廣泛。不同的奈米級藥物遞送分子的激活方法有很大的差異，但最常用的激活方法是利用特定波長的光來釋放貨物。奈米閥控制的貨物釋放使用低強度的光和電漿體加熱來釋放包含金分子的多種 MSN 的貨物。雙光子激活的光電換能器（2-NPT）使用近紅外波長的光來誘導二硫鍵的斷裂以釋放貨物。近來，由於具有無毒，通過皮膚的自發吸收以及進入血腦屏障的能力，奈米金剛石已顯示出在藥物遞送中的潛力。

#### 生物組織工程

由於細胞對奈米形貌特徵非常敏感，因此組織工程中表面的優化將前沿推向了植入領域。在適當的條件下，利用精心製作的三維支架，引導細胞種子向人工器官生長。三維支架結合了各種奈米級因子，通過控制環境以實現最佳和適當的功能，支架是體外存在、類似於體內細胞外基質的物質，其通過在體外提供必要的複雜生物學因子，可以使人工器官成功生長。其他優點包括細胞表達操縱、粘附和藥物遞送的可能性。

#### 關於傷口

對於擦傷和傷口，奈米化學已證明可以改善癒合過程。電紡絲是一種生物學上用於組織工程的聚合方法，但可以功能化以用於傷口包紮以及藥物遞送。它產生的奈米纖維可以促進細胞增殖， 抗菌性和可控的細胞生長環境，這些特性在宏觀上出現；然而，由於奈米形貌特徵，奈米級版本可能會顯示出更高的效率。 奈米纖維和傷口之間的靶向界面具有更高的表面積相互作用，並且在體內更具有優勢。

有證據表明某些銀奈米顆粒可用於抑制某些病毒和細菌。

奈米化學的新發展提供了各種具有高度可控特性的奈米結構材料。這些奈米結構材料的一些應用包括 SAM 和光刻技術，傳感器中奈米線的使用以及奈米酶。

### 電學

#### 奈米導線成分

科學家還通過使用汽相和溶液相策略設計了許多具有可控制的長度，直徑，摻雜和表面結構的奈米線組合物。這些取向的單晶被用於半導體奈米線器件中，例如二極體，電晶體，邏輯電路，雷射器和傳感器。由於奈米線具有一維結構，意味著大的表面體積比，因此擴散電阻降低。此外，由於量子限制效應，它們在電子傳輸中的效率使其電學特性易受到輕微擾動的影響，因此，在奈米傳感器元件中使用這些奈米線可以提高電極響應的靈敏度。如上所述，半導體奈米線的一維性和化學柔性使其可應用於奈米雷射中。楊培東和他的同事們對室溫紫外奈米線奈米雷射器進行了一些研究，其中提到了這些奈米雷射器的重要特性。他們得出的結論是，使用短波長奈米雷射在光學計算，信息存儲和微分析等不同領域具有應用。

### 催化劑

#### 奈米酶

奈米結構材料主要用於基於奈米顆粒的酶，由於其顯示出的特殊性質而受到人們的青睞。這些奈米酶的尺寸非常小（1-100 nm），為它們提供了獨特的光學，磁性，電子和催化特性。 此外，對奈米顆粒表面功能的控制以及這些小尺寸酶的可預測奈米結構，使它們在其表面上形成了複雜的結構，從而滿足了特定應用的需求。

### 光伏

奈米化學和奈米材料為低成本的新一代太陽能光伏電池提供了許多機會。奈米粒子表面和結界面的奈米化學界面工程可以增強電荷的分離和收集。最近的研究目標為提高太陽能轉換效率，並降低光伏技術中的器件製造成本。

石墨烯在這個領域因為其特殊的光電性能也受到了重視，最新發表的一篇文獻提出，通過石墨烯摻雜中孔電子選擇層減小光損耗，其具有更好的電氣性能。配合雙端機械堆疊鈣鈦礦 / 矽串聯裝置，通過使介觀的鈣鈦礦頂部電池的背面電極與組織化和金屬化的正面接觸而耦合矽底部電池的接觸，這個光伏電池（有效面積 1.43cm2）表現出 26.3% 的峰值效率，25.9% 的穩定效率。

## 研究

### 奈米金剛石

#### 合成

螢光奈米粒子具有廣泛的應用，但它們在宏觀陣列中的使用使它們能夠有效地應用於電漿體、光子和量子通信，這使它們備受追捧。雖然儘管有很多組裝奈米顆粒陣列的方法，尤其是金奈米顆粒，但它們往往與基底緊密結合，因此不能用濕法化學處理或光刻處理。奈米金剛石允許更大的訪問可變性，隨後可用於耦合電漿體激元波導以實現量子電漿體電路。

奈米金剛石可以通過採用奈米級的碳質晶種來合成，該奈米碳質晶種通過無掩模電子束誘導定位技術通過一步添加胺基團以將奈米金剛石自組裝成陣列，從而一步製備。奈米金剛石表面上的懸空鍵的存在允許它們被各種配位基官能化。這些奈米金剛石的表面被羧酸基團封端，從而通過碳二亞胺偶聯化學使它們與胺端基表面連接。該方法產率較高，並依賴於：在 EDC 存在下，無定形碳和奈米金剛石表面上的胺和羧基官能基之間的鍵合。因此，與金奈米顆粒不同，它們可以承受許多設備應用中的加工和處理。

#### 螢光燈（氮填充）

奈米金剛石的螢光性質源自氮空位（NV）中心的存在，氮原子緊鄰空位。螢光奈米金剛石（FND）於 2005 年發明，此後已用於各種研究領域。該發明於 2008 年獲得美國專利，並在 2012 年獲得了隨後的專利。通過用高能粒子（電子，質子，氦離子）輻照奈米金剛石，然後在 600–800°C 下進行真空退火，可以創建 NV 中心。輻照會在鑽石結構中形成疫苗，而真空退火會將這些空位遷移，這些空位將被奈米金剛石中的氮原子捕獲。此過程產生兩種類型的 NV 中心。形成了兩種類型的 NV 中心 —— 中性（NV0）和帶負電（NV–），它們具有不同的發射光譜。 NV - 中心特別受關注，因為它具有 S = 1 的自旋基態，可以通過光泵浦將其自旋極化，並使用電子順磁共振對其進行操縱。螢光奈米金剛石結合了半導體量子點（小尺寸，高光穩定性，明亮的多色螢光）與生物相容性，無毒和豐富的表面化學的優點，這意味著它們具有革新體內成像應用的潛力。

#### 藥物遞送和生物相容性

奈米金剛石具有自組裝的能力，並且各種各樣的小分子，蛋白質抗體，治療劑和核酸都可以與其表面結合，因此其可以進行藥物遞送，模擬蛋白質和外科手術植入物。其他潛在的生物醫學應用是將奈米金剛石用作固相肽合成的載體，並用作解毒和分離的吸附劑；以及將螢光奈米金剛石用於生物醫學成像。奈米金剛石具有生物相容性，具備多種可用於治療的能力，包括：在水中的分散性和可擴展性，以及靶向療法潛在的藥物輸送平台所需的所有特性。奈米金剛石的小尺寸，穩定的核，豐富的表面化學，自組裝能力和低細胞毒性讓人們提出可以將它用於模擬球狀蛋白。奈米金剛石用於一般藥物遞送的潛在可注射治療劑的應用已被大量研究，但也已表明，聚對二甲苯奈米金剛石複合材料的薄膜可用於在兩天至一個月的時間內局部持續釋放藥物。

### 奈米簇

奈米級單雜散團簇（也稱為奈米團簇）是合成生長的晶體，其大小和結構會通過勢阱影響其性能。合成這些奈米簇卻是一個難題。一種生長這些晶體的方法是在非水性溶劑中通過反膠束籠。對 MoS2 奈米團簇的光學性質進行的研究將它們與大塊晶體對應物進行了比較，並分析了它們的吸收光譜。分析表明，塊狀晶體對吸收光譜的尺寸依賴性是連續的，而奈米團簇的吸收光譜具有離散的能階。這表明在報告的簇大小為 4.5 – 3.0 nm 時發生了從固體到分子的轉變。

由於它們在磁記錄，磁流體，永磁體和催化方面具有潛在用途，人們對奈米團簇的磁性感興趣。對鐵團簇的分析表明，由於團簇內部存在強磁性相互作用，其行為與鐵磁和超順磁的行為一致。

奈米團簇的介電性質也是一個研究主題，因為它們在催化，光催化，微電容器，微電子學和非線性光學中有可能被應用。

### 著名的研究人員

在奈米化學領域，有幾位研究人員對該領域的發展做出了卓越貢獻，來自多倫多大學的 Geoffrey A. Ozin 就是其中一例。他在這一領域的研究長達 45 年，被稱為 "奈米化學的奠基人之一"。其研究包括矩陣隔離雷射拉曼光譜，裸金屬團簇化學、光化學，奈米多孔材料，混成奈米材料，介觀材料和超薄無機奈米線。

另一位被視為奈米化學先驅之一的化學家是哈佛大學的查爾斯・利伯。他以其在奈米技術發展方面的貢獻而著稱，特別是在生物學和醫學領域的貢獻。這些技術包括奈米線，這是一類新的准一維材料，表現出優異的電、光、機械和熱性能，有可能被用作生物傳感器。Lieber 領導的課題組已經深入研究了奈米線用於繪製大腦活動圖譜的課題。

加州大學洛杉磯分校教授西蒙・魏斯（Shimon Weiss）以研究螢光半導體奈米晶體（量子點的一個子類）用於生物標記的研究而聞名。來自加州大學伯克利分校的保羅・阿利維薩托斯在奈米晶體的製造和使用方面的研究也很有名。這項研究潛力較大，會對小尺度粒子的成核、陽離子交換和分支過程等小尺度粒子的機理進行深入研究。這些晶體的一個值得注意的應用是量子點的開發。

另一位來自加州大學伯克利分校的楊培東研究員也因其在一維奈米結構的發展上的貢獻而引人注目。目前，楊培東課題組在奈米線光子學、基於奈米線的太陽能電池、用於太陽能轉化為燃料的奈米線、奈米線熱電學、奈米線 - 電池界面、奈米晶體催化、奈米管奈米流體學、電漿體等領域都有活躍的研究項目。

## 生產安全

　
: 詳情參見：奈米材料 - 健康與安全

## 備註

## 參考資料

## 精選書籍

* J.W. Steed, D.R. Turner, K. Wallace _Core Concepts in Supramolecular Chemistry and Nanochemistry_ (Wiley, 2007) 315p. ISBN 978-0-470-85867-7
* Brechignac C., Houdy P., Lahmani M. (Eds.) _Nanomaterials and Nanochemistry_ (Springer, 2007) 748p. ISBN 978-3-540-72993-8
* H. Watarai, N. Teramae, T. Sawada _Interfacial Nanochemistry: Molecular Science and Engineering at Liquid-Liquid Interfaces_ (Nanostructure Science and Technology) 2005. 321p. ISBN 978-0-387-27541-3
* Ozin G., Arsenault A.C., Cademartiri L. _Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials_ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 2nd Eds. (英國皇家化學學會，2008) 820p. ISBN 978-1847558954
* Kenneth J. Klabunde; Ryan M. Richards (編). 化学中的纳米材料 2nd. Wiley. 2009. ISBN 978-0-470-22270-6.