新型纳米粒子和量子点改善生活的惊人方式

一家为智能手机制造商生产电容器的主要生产商生产的新型纳米颗粒和量子点，可能会将微小的可打印组件和量子尺度的生物标记物带入我们的日常生活。

村田制造的产品，包括多层陶瓷电容器(mlcc)和无源元件，被用于世界上许多移动电话和电子设备。村田公司的mlcc -通过暂时存储多余的电荷来调节电压和电流流动，从而实现电子产品的稳定功能-目前占全球销售的mlcc的40%左右。

高端智能手机配备了大约1000个mlcc，最近电池和电路小型化的进步意味着mlcc的容量和尺寸现在是生产更轻、更紧凑机型的关键瓶颈之一。

现在村田正在开发的新型MLCC可能只有0.25毫米长，比该公司目前生产的最小型号要小得多。

溶液中的溶液

mlcc通常由绝缘薄膜或“电介质”组成，超细颗粒夹在电极之间。“我们一直在尝试开发各种介电纳米颗粒的制造方法，以构建多层非常薄的介电层，在非常小的封装中实现高容量，”日本京都村田公司纳米颗粒制造技术研发负责人铃木圭吾解释说。然而，他表示，真正的突破在于适合新业务的制造方法。

铃木说:“我们开发了一种制造各种功能氧化物纳米颗粒的方法，使用一种将化合物分散在溶液中的技术，这是一种逆胶束技术。”在该技术中，水解反应发生在分散在疏水溶剂中的小水滴中。在合适的溶液中，合成的氧化物纳米粒子相互排斥。

但铃木说，需要一种更好的大规模生产方法来降低成本和提高产量。“我们最终开发了一种有前途的制造方法，称为双盐聚合，使我们能够使用低成本材料大规模生产各种高浓度和分散良好的氧化物纳米颗粒。”

双盐聚合法依赖于两种含金属双盐在溶液中的相互作用。通过盐的脱水冷凝，形成金属氧化物并聚合，从而形成具有一致形态的纳米颗粒，这些纳米颗粒在液体介质中很好地分散，形成胶体溶液。

Murata的纳米颗粒与众不同之处在于它们抗团聚，这是由于在生产过程中，纳米颗粒中加入了短有机配体。这些配体还使纳米颗粒在相对较低的温度下烧结成为可能，为墨水和其他可打印应用提供了可能。烧结是一种通过加热或加压将材料压缩成固体而不熔化的过程。

“可打印和柔性电子产品的潜力特别令人兴奋，”开发了双盐聚合方法的大冢佑介(Yusuke Otsuka)说。“这种易于烧结的能力不仅可以生产各种新设备，如传感器、透明导电薄膜和光电极，而且还可以在许多用于能量转换的技术中堆叠不同的纳米颗粒层，以实现有效的载流子分离。”

大冢说，可再生技术的潜在用途是有希望的:“这些纳米颗粒基于地球上常见的元素，对环境相当友好，将在太阳能电池和电子元件中表现出高性能，并具有很强的光催化活性。”

生物医学成像的轻触

村田还开发了新的量子点，这是一种特殊的纳米颗粒，具有在较大颗粒中看不到的量子力学光学和电子特性。

量子效应限制了原子的电子和电子空穴的能量，电子空穴是一个电子可以但不存在的空间，使粒子在暴露在紫外线下时能够发射特定波长的光。该特性可用于标记和成像生物组织，并应用于医学成像。

“但绝大多数商业化的量子点都含有镉和硒等有害和有毒元素，”村田研发团队的藤平Norikazu Fujihira解释说。“这使得这些量子点不仅很难用于一般产品，而且也很难用于化学试剂和医疗应用。”

藤平和他的同事与名古屋大学合作，通过结合半导体化合物开发了一种新型量子点产品。重要的是，这些小圆点不含镉、硒、铅或汞等剧毒物质。Fujihira解释说，这为使用它们来标记和成像活组织中的生物过程打开了大门。

与常用的活体组织成像材料(如荧光染料或绿色荧光蛋白)相比，这些点具有更大的亮度和更长的寿命。

村田村田希望它的量子点将被证明特别适用于细胞内成像和在活的有机体内移植细胞的成像，及其在组织和器官中的积累和整合。

Fujihira的团队还成功地开发了一种商业规模的制造工艺，以可靠地生产具有特定峰值发光波长的粒子，他说。他们现在已经将胶体量子点商业化，用作活细胞的荧光标记。

Fujihira说，虽然能源转换和光学设备，如led和显示器也可能受益，但村田的重点一直是生物成像，这方面有很大的需求。他补充说，该团队还通过复杂的配体工程，不断改进这些点的发光特性，调整亮度和发光的锐度等质量。

可持续的解决方案

铃木说:“我们认为下一个巨大的挑战是如何在日常设备中持续实现这些材料的潜力。”“但我们预计，由于纳米颗粒的高功能性和资源的高效利用，其发展将变得越来越重要。”

铃木特别指出，纳米颗粒和量子点有望在可再生能源领域产生重大影响，降低制造太阳能电池的资源的影响，并有可能在生产用于能源的氢的过程中作为一种新型高效的光催化剂用于水分解。