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纳米颗粒的稳定性是代表什么意思
2021年09月10日 10:07
来源：瑞芯智造（深圳）科技有限公司
在相同的标准条件下，相对于宏观材料，纳米颗粒的稳定性不受热力学性质影响。但与大尺度材料相比，纳米颗粒充其量是亚稳态的，在开发这些材料时必须考虑到这一点。那你知道纳米颗粒的稳定性代表什么吗？
1、聚集现象与稳定性
聚集是气相和溶液相纳米颗粒不稳定性的最常见指标，当初级纳米结构在短距离内通过相互作用彼此靠近时，就会发生聚集现象。因此，纳米颗粒的稳定性取决于能否阻止聚集过程。贵金属纳米结构非常适合观察聚集，因为它们的等离子体性质取决于粒子间的距离，并且可以进行视觉观察。动态光散射(DLS)通常用于监测非类材料的簇形成。当所有的团簇都克服浮力时，物质就会沉淀。团簇形成的速率取决于能量和碰撞频率。
溶液相纳米颗粒的稳定性依赖于碰撞和势能的能量学。随着弹性碰撞概率的增加，纳米颗粒的稳定性得到提高。利用碰撞理论和DLVO理论，可以估计溶液相结构的能量，从而提高“稳定性”。考虑到概率依赖性，防止纳米颗粒聚集只能在短时间内实现。因此，可以增加对驱动簇形成因素的了解，以便对纳米粒子的聚集稳定性作出现实的预估。
2、金属/金属氧化物的稳定性函数
通常，由于表面原子配位的不同，纳米结构的核和表面原子组成在化学上是不同的，因此稳定性是指保留原始表面原子的同一性和配位。由于纳米结构上的表面原子比体原子具有更低的配位数，因此它们的反应性相对较高。不稳定性是指化学成分的变化或配位数的变化。氧化是表面原子转变或不稳定的常见例子。例如，银纳米粒子的氧化导致等离子体共振特性的逐渐减弱。氧化银在水环境中也会发生溶解形成Ag+，这两种不稳定性都会导致反应性和材料本身的改变。
能量色散X射线光谱(EDS)是一种识别这些材料中主要化学成分和干扰化学成分的有效技术。在高能电子轰击下，可以收集特征X射线光谱，然后将其用于样品中元素的识别和质量定量。除H和He以外的所有元素都可以检测。图1中采用EDS成功分析了氧化铁纳米颗粒，并通过X射线光谱分析确定了铁和氧含量。XRD可以将核心组成与纳米颗粒稳定性联系起来，并且可以深入了解O、S干扰对纳米颗粒形态的影响。有关氧化和硫化的类似信息可以从与等离子体纳米材料相关的局域表面等离子体共振(LSPR)光谱中提取。
尽管金属/金属氧化物的分离和掺杂方法都能提高纳米颗粒的组成稳定性，但仍存在一些挑战。例如，另一种材料的纳米颗粒封装提高了目标纳米材料的稳定性，但却阻止了原始材料与其环境之间的直接相互作用。因此，要求原始金属/金属氧化物与其周围环境直接接触的应用(如催化和热基应用)可能受到限制。相反，掺杂方法克服了引入物理势垒的局限性，但粒子中的载流子电子数量的改变影响了材料的电性能。因此，在选择提高纳米颗粒金属/金属氧化物原始成分稳定性的方法时，需要折衷考虑对材料性能的益损。
3、纳米颗粒尺寸的稳定性
纳米颗粒尺寸的稳定性定义为在储存或实验过程中保持纳米颗粒的尺寸。由于纳米级金属/金属氧化物的物理化学性质取决于尺寸，不稳定性是指纳米颗粒尺寸的增加或减少，导致材料的催化、光学、磁性、机械和热性能发生显著变化。例如，磁性纳米颗粒可以表现出超顺磁性，即在没有外部磁场的情况下，小颗粒的平均磁矩为零，但在应用外部磁场后会迅速增加。因此，纳米结构尺寸的保留对于纳米金属和金属氧化物的可再现化学和物理性质是必需的。纳米颗粒的尺寸可以通过溶液中的运动直接成像或推断出来，纳米颗粒的尺寸可以直接从图像中量化，也可以间接从迁移率和光谱测量中量化。
总之，纳米颗粒尺寸稳定性是纳米材料物理化学性质的一个重要参数。维数守恒取决于原合成材料的均匀性以及储存或使用期间存在的稳定剂。由于其大小通常不遵循正态分布，当对纳米颗粒尺寸的变化进行量化和分类时，建议采用偏离简单平均值和标准偏差的方法。
4、表面化学稳定性
如前几节所述，纳米颗粒界面在保持成分、形态和尺寸稳定性方面起着重要作用。由天然金属/金属氧化物表面原子稳定的纳米材料需要保持原子密度、化学特性和表面电位，而那些含有封端剂的纳米材料也依赖于与端基质子化状态、密度和组成有关的性质。不稳定性表现为表面原子和分子密度、化学成分和电位的变化，这会导致意外聚集、药物释放受阻和分子检测不一致等情况。例如，将表面电位从非零值改为零值会降低纳米颗粒之间的静电排斥电位；悬浮在介质中的微粒会导致簇状物的形成；表面电位的变化也会影响药物的释放，因为药物的装载和颗粒的释放都依赖于表面电位。因此，当分子间作用力影响纳米颗粒在应用中的使用时，金属/金属氧化物的表面化学稳定性非常重要。
表面功能化可以降低纳米结构聚集的可能性，因此，还必须评估其表面化学的稳定性。表面化学稳定性取决于分子吸附率，这一过程取决于流量和预先存在的表面化学，可以实时监控。例如，图5说明了在金上形成硫铝酸盐单层的时间依赖过程。SERS基质上的多孔膜可以控制电荷和大小的通量，并提高生物相容性。总之，表面化学稳定性取决于纳米结构周围局部介质中存在的原子或分子的性质，这些条件在可能发生交换、位移或封装的存储过程以及复杂环境中都是相关的。
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