纳米医学与生物治疗发现杂志
开放获取

抽象的

结合纳米粒子束沉积的纳米材料制造之路

理查德·帕尔默

如果我们想象未来的工厂将纳米粒子束集成到先进材料或设备的生产中，那么簇束沉积 (CBD) 就会出现一系列关键的研究挑战。这些包括控制纳米颗粒的成分、尺寸、数量（放大）、与支撑物的相互作用、对环境的响应和性能验证。该奖项是一系列应用，从水处理和治疗诊断学到催化和忆阻器。集群光束方法是绿色的；不涉及溶剂和废水；可以选择颗粒的尺寸，并且可以轻松生产具有挑战性的金属（纳米合金）组合。在这里，我们讨论其中的四个研究挑战：环境（温度）、放大、配方工程和验证：(1) 环境：像差校正扫描透射电子显微镜 (STEM) 用于研究沉积团簇在高温下的行为，包括结构转变和（核心和表面）熔化。(2) 放大：工业催化研发通常需要1克催化剂或10毫克簇，在合适的催化剂载体上负载量为1%。矩阵组装簇源 (MACS) 基于稀有气体矩阵的离子束溅射，其中预载有金属原子。迄今为止，集群强度已实现五个数量级的扩大。(3) 制剂工程：我们将讨论几种方法，通过这些方法，尺寸控制的簇可以以与所需功能应用相匹配的形式呈现，例如催化和治疗诊断。这些纳米级配方工程的例子包括将金属簇束直接沉积到粉末上。(4) 验证：最后将说明验证挑战，以表明基于簇的功能材料优于更传统的先进材料。我们将重点关注有机分子的氢化（气相和液相）或其在精细化学品领域的应用以及水分解

 

科学的未来很难预测。例如，当 从气相碳簇的质谱中鉴定出C _{60及其结构时，很少有人能够预测这一发现所引入的碳纳米技术的时代。C 60}的增溶和功能化碳纳米管的识别和合成，以及石墨烯的生成和物理，对国际研发（以及某种程度上的工业）格局产生了无法预见的规模影响。技术源于对星际气体中具有天体化学意义的分子的探索。这张小草图使作者有信心在此提出一份关于另一个激进未来进展的状态报告——在工业规模上合成纳米颗粒（通常是金属），无需溶剂，因此不会产生废水，没有盐及其有时伴随的毒性，并且具有最小的不需要的纳米颗粒逃逸到环境中的可能性，并且尺寸控制高度精确，所产生的纳米颗粒的形状和成分，以及从催化剂和传感器到光子学、电子学和治疗诊断学的应用。事实上，我们的故事开始于与纳米碳时代的起源完全相同的地方——真空室中自由原子团簇的生成和质量选择。到目前为止，沿途的步骤包括在真空中将此类团簇束沉积到表面上，阐明团簇与表面相互作用的关键要素，以及演示沉积团簇的潜在应用。目前面临的主要挑战是艰巨但可解决的，是将簇束沉积从纳克级扩大到克级甚至更高，以及将纳米簇加工和集成到适当的功能结构中，例如用于多相催化的粉末，即配方工程问题。本报告通过集群生产（传统纳克规模）的例子说明了解决这些挑战的研究，强调尺寸的自我选择、非球形形状的受控生成和非球形二元纳米颗粒；通过磁控溅射、气体冷凝簇源，特别是矩阵组装簇源（MACS）将簇束产生放大几个数量级；并通过在相关环境（液相和气相）中的气体传感和多相催化（克级）中沉积簇的有希望的演示。这里描述的新范式对制造工程的影响无疑是根本性的。与往常一样，经济成功的前景充满了不确定性。