金属ナノ粒子の合成：先進材料特性の解き放ち

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金属ナノ粒子
「金属ナノ粒子」という用語は、サイズ範囲1〜100 nmの寸法（長さ、幅、厚さ）を持つナノサイズの金属を説明するために使用されます。金属ナノ粒子は、個々の原子、表面、バルク材料とはかなり異なる特性を示します。MNPsの主な特徴は、バルク相当品と比較した大きな表面積対体積比、大きな表面エネルギー、分子状態と金属状態の間の遷移としての存在（特定の電子構造：状態局所密度LDOSを提供）、プラズモン励起、量子閉じ込め、短距離秩序、多数のキンクの存在、コーナーやエッジなどの低配位サイトを多数含む、多数の「ダングリングボンド」を持ち、結果として特異な物理的・化学的特性と過剰電子を蓄える能力を有します。
潜在的用途には、例えば生化学、触媒、化学・生物センサー、ナノエレクトロニクスおよびナノ構造磁性システムでの使用が含まれます。
合成
化学的手法には、金属塩の化学還元、アルコール還元プロセス、ポリオールプロセス、マイクロエマルション、金属塩の熱分解、電気化学合成が含まれます。物理的手法には、爆発ワイヤー技術、プラズマ、化学気相成長、マイクロ波照射、パルスレーザーアブレーション、超臨界流体、音響化学還元、ガンマ線照射が含まれます。
希薄溶液中の金属錯体の還元は、金属コロイド分散液の合成の一般的方法であり、還元反応を開始・制御するために様々な方法が開発されています。ほとんどの場合、単分散金属ナノ粒子の形成は、低濃度の溶質と成長面に付着するポリマー単分子層の組み合わせによって達成されます。低濃度とポリマー単分子層の両方が、周囲の溶液から成長面への成長種の拡散を妨げ、拡散プロセスが初期核の後続成長の律速段階である可能性が高く、均一なサイズのナノ粒子形成につながります。
前駆体と試薬
金属ナノ粒子、より具体的には金属コロイド分散液の合成では、還元反応、初期核生成、初期核の後続成長を促進または制御するために、様々なタイプの前駆体、還元試薬、その他の化学物質、および方法が使用されます。前駆体には、元素金属、無機塩、金属錯体（Ni、Co、HAuCl4、H2PtCl6、RhCl3、PdCl2など）が含まれます。還元試薬には、クエン酸ナトリウム、過酸化水素、ヒドロキシルアミン塩酸塩、クエン酸、一酸化炭素、リン、水素、ホルムアルデヒド、水性メタノール、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウムが含まれます。
その他の合成方法
金属ナノ粒子は、金属陽極と金属またはガラス状炭素陰極のみを含む単純な電気化学セルを用いた電気化学析出法でも作製できます。電解質はテトラアルキルアンモニウムハロゲン化物の有機溶液で構成され、生成した金属ナノ粒子の安定化剤としても機能します。電場印加により、陽極が酸化溶解して金属イオンを形成し、陰極側へ移動します。アンモニウムイオンによる金属イオンの還元が、溶液中での金属ナノ粒子の核生成と後続成長をもたらします。この方法では、直径1.4〜4.8 nmのPd、Ni、Coナノ粒子を生成できます。
金ナノ粒子
コロイド金は長年にわたり広く研究されてきました。1857年、ファラデーはコロイド金の調製と特性に関する包括的研究を発表しました。金ナノ粒子の合成には様々な方法が開発されており、その中で100°Cでのクロロ金酸のクエン酸ナトリウム還元法が50年以上前に開発され、現在でも最も一般的に使用されています。
銀ナノ粒子
銀ナノ粒子の形成には様々な方法が開発されています。Agナノ粒子の合成は、AgClO4、アセトン、2-プロパノール、様々なポリマー安定剤を含む水溶液のUV照射によって達成できます。UV照射はアセトンの励起と2-プロパノールからの水素原子引き抜きによりケチルラジカルを生成し、ケチルラジカルはさらにプロトリティック解離反応を起こす可能性があります。ケチルラジカルとラジカルアニオンの両方が銀イオンと反応し、銀原子に還元します。
反応速度は低く、単分散銀ナノ粒子の生成を促進します。ポリエチレンイミンをポリマー安定剤として存在させると、上記光化学還元プロセスで形成される銀ナノ粒子の平均サイズは7 nmで、狭いサイズ分布を持ちます。
ポリマー安定剤は金属ナノ粒子合成で非常に重要な役割を果たしますが、ポリマー安定剤を使用せずに調製することも可能です。市販の溶液セットを使用して銀ナノ粒子を調製できます。安定化試薬を添加せずに、20〜30 nmサイズの銀ナノ粒子水分散液として合成可能です。この分散液は静電的安定化メカニズムによって安定化されていると考えられます。ただし、粒子サイズは合成温度に敏感に依存します。温度のわずかな変化が金属ナノ粒子の直径に顕著な変化をもたらします。