在相同的標(biāo)準(zhǔn)條件下，相對(duì)于宏觀(guān)材料，納米顆粒的穩(wěn)定性不受熱力學(xué)性質(zhì)影響。但與大尺度材料相比，納米顆粒充其量是亞穩(wěn)態(tài)的，在開(kāi)發(fā)這些材料時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。那你知道納米顆粒的穩(wěn)定性代表什么嗎？
1、聚集現(xiàn)象與穩(wěn)定性
聚集是氣相和溶液相納米顆粒不穩(wěn)定性的最常見(jiàn)指標(biāo)，當(dāng)初級(jí)納米結(jié)構(gòu)在短距離內(nèi)通過(guò)相互作用彼此靠近時(shí)，就會(huì)發(fā)生聚集現(xiàn)象。因此，納米顆粒的穩(wěn)定性取決于能否阻止聚集過(guò)程。貴金屬納米結(jié)構(gòu)非常適合觀(guān)察聚集，因?yàn)樗鼈兊牡入x子體性質(zhì)取決于粒子間的距離，并且可以進(jìn)行視覺(jué)觀(guān)察。動(dòng)態(tài)光散射(DLS)通常用于監(jiān)測(cè)非類(lèi)材料的簇形成。當(dāng)所有的團(tuán)簇都克服浮力時(shí)，物質(zhì)就會(huì)沉淀。團(tuán)簇形成的速率取決于能量和碰撞頻率。
溶液相納米顆粒的穩(wěn)定性依賴(lài)于碰撞和勢(shì)能的能量學(xué)。隨著彈性碰撞概率的增加，納米顆粒的穩(wěn)定性得到提高。利用碰撞理論和DLVO理論，可以估計(jì)溶液相結(jié)構(gòu)的能量，從而提高“穩(wěn)定性”?？紤]到概率依賴(lài)性，防止納米顆粒聚集只能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。因此，可以增加對(duì)驅(qū)動(dòng)簇形成因素的了解，以便對(duì)納米粒子的聚集穩(wěn)定性作出現(xiàn)實(shí)的預(yù)估。
2、金屬/金屬氧化物的穩(wěn)定性函數(shù)
通常，由于表面原子配位的不同，納米結(jié)構(gòu)的核和表面原子組成在化學(xué)上是不同的，因此穩(wěn)定性是指保留原始表面原子的同一性和配位。由于納米結(jié)構(gòu)上的表面原子比體原子具有更低的配位數(shù)，因此它們的反應(yīng)性相對(duì)較高。不穩(wěn)定性是指化學(xué)成分的變化或配位數(shù)的變化。氧化是表面原子轉(zhuǎn)變或不穩(wěn)定的常見(jiàn)例子。例如，銀納米粒子的氧化導(dǎo)致等離子體共振特性的逐漸減弱。氧化銀在水環(huán)境中也會(huì)發(fā)生溶解形成Ag+，這兩種不穩(wěn)定性都會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性和材料本身的改變。
能量色散X射線(xiàn)光譜(EDS)是一種識(shí)別這些材料中主要化學(xué)成分和干擾化學(xué)成分的有效技術(shù)。在高能電子轟擊下，可以收集特征X射線(xiàn)光譜，然后將其用于樣品中元素的識(shí)別和質(zhì)量定量。除H和He以外的所有元素都可以檢測(cè)。圖1中采用EDS成功分析了氧化鐵納米顆粒，并通過(guò)X射線(xiàn)光譜分析確定了鐵和氧含量。XRD可以將核心組成與納米顆粒穩(wěn)定性聯(lián)系起來(lái)，并且可以深入了解O、S干擾對(duì)納米顆粒形態(tài)的影響。有關(guān)氧化和硫化的類(lèi)似信息可以從與等離子體納米材料相關(guān)的局域表面等離子體共振(LSPR)光譜中提取。
盡管金屬/金屬氧化物的分離和摻雜方法都能提高納米顆粒的組成穩(wěn)定性，但仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，另一種材料的納米顆粒封裝提高了目標(biāo)納米材料的穩(wěn)定性，但卻阻止了原始材料與其環(huán)境之間的直接相互作用。因此，要求原始金屬/金屬氧化物與其周?chē)h(huán)境直接接觸的應(yīng)用(如催化和熱基應(yīng)用)可能受到限制。相反，摻雜方法克服了引入物理勢(shì)壘的局限性，但粒子中的載流子電子數(shù)量的改變影響了材料的電性能。因此，在選擇提高納米顆粒金屬/金屬氧化物原始成分穩(wěn)定性的方法時(shí)，需要折衷考慮對(duì)材料性能的益損。
3、納米顆粒尺寸的穩(wěn)定性
納米顆粒尺寸的穩(wěn)定性定義為在儲(chǔ)存或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中保持納米顆粒的尺寸。由于納米級(jí)金屬/金屬氧化物的物理化學(xué)性質(zhì)取決于尺寸，不穩(wěn)定性是指納米顆粒尺寸的增加或減少，導(dǎo)致材料的催化、光學(xué)、磁性、機(jī)械和熱性能發(fā)生顯著變化。例如，磁性納米顆?？梢员憩F(xiàn)出超順磁性，即在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下，小顆粒的平均磁矩為零，但在應(yīng)用外部磁場(chǎng)后會(huì)迅速增加。因此，納米結(jié)構(gòu)尺寸的保留對(duì)于納米金屬和金屬氧化物的可再現(xiàn)化學(xué)和物理性質(zhì)是必需的。納米顆粒的尺寸可以通過(guò)溶液中的運(yùn)動(dòng)直接成像或推斷出來(lái)，納米顆粒的尺寸可以直接從圖像中量化，也可以間接從遷移率和光譜測(cè)量中量化。
總之，納米顆粒尺寸穩(wěn)定性是納米材料物理化學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。維數(shù)守恒取決于原合成材料的均勻性以及儲(chǔ)存或使用期間存在的穩(wěn)定劑。由于其大小通常不遵循正態(tài)分布，當(dāng)對(duì)納米顆粒尺寸的變化進(jìn)行量化和分類(lèi)時(shí)，建議采用偏離簡(jiǎn)單平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法。
4、表面化學(xué)穩(wěn)定性
如前幾節(jié)所述，納米顆粒界面在保持成分、形態(tài)和尺寸穩(wěn)定性方面起著重要作用。由天然金屬/金屬氧化物表面原子穩(wěn)定的納米材料需要保持原子密度、化學(xué)特性和表面電位，而那些含有封端劑的納米材料也依賴(lài)于與端基質(zhì)子化狀態(tài)、密度和組成有關(guān)的性質(zhì)。不穩(wěn)定性表現(xiàn)為表面原子和分子密度、化學(xué)成分和電位的變化，這會(huì)導(dǎo)致意外聚集、藥物釋放受阻和分子檢測(cè)不一致等情況。例如，將表面電位從非零值改為零值會(huì)降低納米顆粒之間的靜電排斥電位；懸浮在介質(zhì)中的微粒會(huì)導(dǎo)致簇狀物的形成；表面電位的變化也會(huì)影響藥物的釋放，因?yàn)樗幬锏难b載和顆粒的釋放都依賴(lài)于表面電位。因此，當(dāng)分子間作用力影響納米顆粒在應(yīng)用中的使用時(shí)，金屬/金屬氧化物的表面化學(xué)穩(wěn)定性非常重要。
表面功能化可以降低納米結(jié)構(gòu)聚集的可能性，因此，還必須評(píng)估其表面化學(xué)的穩(wěn)定性。表面化學(xué)穩(wěn)定性取決于分子吸附率，這一過(guò)程取決于流量和預(yù)先存在的表面化學(xué)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。例如，圖5說(shuō)明了在金上形成硫鋁酸鹽單層的時(shí)間依賴(lài)過(guò)程。SERS基質(zhì)上的多孔膜可以控制電荷和大小的通量，并提高生物相容性?？傊?，表面化學(xué)穩(wěn)定性取決于納米結(jié)構(gòu)周?chē)植拷橘|(zhì)中存在的原子或分子的性質(zhì)，這些條件在可能發(fā)生交換、位移或封裝的存儲(chǔ)過(guò)程以及復(fù)雜環(huán)境中都是相關(guān)的。
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