纳米粒子

即古老又时髦


纳米粒子通常被定义为直径在1–100纳米之间的微观粒子。因为在这个尺度,微观粒子将展现出一些不同于其宏观材料的新性质。人类对纳米粒子的应用可以追溯到三千多年前,虽然可以肯定的是当时的人们并不知道纳米粒子的存在。例如,早在公元前1200–1000年,位于现在意大利境内的手工艺者曾制作过一种红色的玻璃,而玻璃的红色就来自铜纳米粒子。再如,公元4世纪的古罗马莱克格斯杯(Lycurgus Cup)的二向色性来源于玻璃内部的金银合金纳米粒子。另外,公元9世纪美索不达米亚地区制作的陶瓷表面从不同角度观看会呈现不同的颜色(虹彩现象),也是由于其表面釉质中铜纳米粒子的存在。

到了1857年,法拉第首次从科学角度指出纳米粒子的特殊性质源于其微小的尺寸。1940年后电子显微技术的普及使科学家可以更好的表征纳米粒子,深入研究纳米粒子大小、形状与其性质之间的关系。1990年后合成手段的进步,使得大批量合成特定组分、规格和性能的纳米粒子成为可能。

如今纳米粒子已经广泛进入了我们的日常生活。例如,一些防晒霜中含有阻挡紫外线的纳米粒子,一些化妆品中含有增加渗透作用的纳米粒子,一些牙膏中含有具有增白作用的纳米粒子,一些衣物中含有抑制细菌生长和异味产生的纳米粒子。然而令人担忧的是,我们目前对人工合成的纳米粒子对环境和人体的安全性仍然缺少足够的认识。一些动物实验表明,二氧化钛纳米粒子(一种被广泛使用的纳米粒子)在进入动物体内之后可能会增加癌症产生的几率。值得庆幸的是,纳米粒子的安全性问题越来越受到研究人员、国际组织和消费品生产公司的重视。相信在不久的将来,会出现一套完整的法规来监管纳米粒子的生产和使用,让纳米粒子在不危害环境和人身安全的前提下,为人类造福。

上图:带有表面活性剂分子的纳米粒子(表面活性剂可以防止纳米粒子在溶剂中发生团聚)。


 在普通环境光下,莱克格斯杯呈绿色(左图),当把强光源放置于杯子内部时,杯子呈红色(右图)。

在普通环境光下,莱克格斯杯呈绿色(左图),当把强光源放置于杯子内部时,杯子呈红色(右图)。

纳米粒子。纳米粒子通常指大小在1到100纳米的粒子。在这个尺度纳米粒子通常会表现出与其宏观材料不同的性质,如颜色变化、熔点降低等。人类对纳米粒子的应用可以追溯到三千多年前。上图绘制的是收藏在大英博物馆中的莱克格斯杯(Lycurgus Cup),杯子制造于公元4世纪的古罗马时代。莱克格斯杯的玻璃具有神奇的二向色性:在通常光照条件下,杯子呈绿色(左上图);如果将光源放置在杯子内部,杯子则呈红色(右上图)。另一种更科学的描述是:白光在杯子表面的反射光为绿色,而白光穿过杯子透射光为红色。利用现代科学检测技术,科学家发现使莱克格斯杯产生二向色性的是玻璃中大小为50–100纳米的金银合金纳米粒子。莱克格斯杯充分体现了古罗马手工艺者的精湛技艺。但是科学家认为在当时的条件下,完全依靠经验精确控制玻璃中的纳米粒子性质的成功率极低,因此只有极少数与莱克格斯杯类似的文物流传至今。【绘图依据:根据大英博物馆莱克格斯杯图片重绘】

现代科学对纳米粒子的开创性工作要归功于法拉第在19世纪50年代的发现:他合成出的金纳米粒子使溶液变成红色。我们现在知道金纳米粒子的颜色会随其大小和形状而变化,例如直径为20和100纳米的球形金纳米粒子分别呈红色和紫色。


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纳米粒子自组装。在过去20–30年间,纳米粒子合成技术的进步实现了对纳米粒子化学成分、大小和形状的精确控制。本页左侧列出了一些常见的纳米粒子形状。而目前在纳米粒子研究领域的一个热点是将纳米粒子作为类似积木的组件,通过自组装,用纳米粒子构建更大的功能材料。科学家发现,两种大小不同的球形纳米粒子可以通过自组装形成与氯化钠等离子晶体结构类似的纳米粒子晶体(也称为胶体晶体)。而对于非球形纳米粒子,其自组装方式更为复杂(其他纳米粒子晶体结构)。上图显示的是由甘格研究组在2015年报道的一种胶体晶体结构。这个结构由球形纳米粒子和立方形金纳米粒子在DNA“胶水”的辅助下形成。对于这个体系,球直径和立方体边长均为46纳米的纳米粒子可以自组装成大小在1–2微米左右的胶体晶体。【绘图依据:Lu F. et al. Nature Comm. 6, 6912 (2015)】


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