1. Введение
Нанотехнология является известной областью исследований с прошлого века. С тех пор, как "нанотехнология" была представлена нобелевским лауреатом Ричардом П. Фейнманом во время его знаменитой лекции 1959 года "На дне много места" (Фейнман, 1960), были сделаны различные революционные разработки в области нанотехнологий. Нанотехнологии производили материалы различного типа на наноуровне. Наночастицы (NPs) представляют собой широкий класс материалов, включающих в себя твердые частицы, которые имеют одно измерение не менее 100 нм (Laurent et al., 2010). В зависимости от общей формы эти материалы могут быть 0D, 1D, 2D или 3D (Tiwari et al., 2012). Важность этих материалов была осознана, когда исследователи обнаружили, что размер может влиять на физико-химические свойства вещества, например, на оптические свойства. Золото 20 нм (Au), платина (Pt), серебро (Ag) и палладий (Pd) NP имеют характерный для вина красный цвет, желтовато-серый, черный и темно-черный цвета соответственно. На рис. 1 приведен пример этой иллюстрации, на котором Au NPs синтезированы с разными размерами. Эти NPs показали характерные цвета и свойства с вариациями размеров и форм, которые могут быть использованы в приложениях биоимиджинга (Dreaden и др., 2012). Как показано на рис. 1, цвет раствора изменяется в связи с изменением соотношения сторон, толщины нанооболочки и концентрации золота в %. Изменение любого из рассмотренных выше факторов влияет на абсорбционные свойства NPs и, следовательно, наблюдаются различные цвета абсорбции.
NPs сами по себе не являются простыми молекулами и поэтому состоят из трех слоев, т.е. a) поверхностного слоя, который может функционализироваться различными мелкими молекулами, ионами металла, ПАВ и полимерами. b) слой оболочки, который химически отличается от ядра во всех аспектах; и с) ядро, которое по существу является центральной частью NP и обычно относится к самому NP (Shin et al., 2016). Благодаря таким исключительным характеристикам эти материалы вызвали огромный интерес у исследователей в междисциплинарных областях. На рис. 2 представлены изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (РЭМ) и просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) мезопористых и непористых метакрилат-функциональных кремнеземистых соединений (MA-SiO2). Мезопористость придает дополнительные характеристики в NPs. НП могут использоваться для доставки наркотиков (Ли и др., 2011), химического и биологического зондирования (Баррак и др., 2016), газового зондирования (Манша и др., 2016, Равал и Каур, 2013, Улла и др., 2017), улавливания CO2 (Ганеш и др., 2017, Рамачариулу и др., 2015) и других сопутствующих применений (Шаалан и др., 2016).
В этой обзорной статье мы дадим общий обзор различных типов, методов синтеза, характеристик, свойств и применений НП. В последнем разделе также представлены будущие аспекты и рекомендации.
2. Классификация НП
В зависимости от морфологии, размера и химических свойств NP в целом делятся на различные категории. На основании физико-химических характеристик некоторые из известных классов NP приведены ниже.
2.1. Углеродные азотистые соединения
Фуллерены и углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой два основных класса азотистых углеродных соединений. Фуллерены содержат наноматериалы, которые изготавливаются из шаровидной полой клетки, например, аллотропные формы углерода. Они представляют значительный коммерческий интерес благодаря своей электропроводности, высокой прочности, структуре, электронному сродству и универсальности (Astefanei и др., 2015). Эти материалы обладают расположенными пятиугольными и шестиугольными углеродными единицами, в то время как каждый углерод является sp2 гибридизированным. На рис. 3 показаны некоторые из известных фуллеренов, состоящих из С60 и С70 диаметром 7,114 и 7,648 нм, соответственно.
В этой обзорной статье мы дадим общий обзор различных типов, методов синтеза, характеристик, свойств и применений НП. В последнем разделе также представлены будущие аспекты и рекомендации.
2. Классификация НП
В зависимости от морфологии, размера и химических свойств NP в целом делятся на различные категории. На основании физико-химических характеристик некоторые из известных классов NP приведены ниже.
2.1. Углеродные азотистые соединения
Фуллерены и углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой два основных класса азотистых углеродных соединений. Фуллерены содержат наноматериалы, которые изготавливаются из шаровидной полой клетки, например, аллотропные формы углерода. Они представляют значительный коммерческий интерес благодаря своей электропроводности, высокой прочности, структуре, электронному сродству и универсальности (Astefanei и др., 2015). Эти материалы обладают расположенными пятиугольными и шестиугольными углеродными единицами, в то время как каждый углерод является sp2 гибридизированным. На рис. 3 показаны некоторые из известных фуллеренов, состоящих из С60 и С70 диаметром 7,114 и 7,648 нм, соответственно.
2.2. НП по металлу
Металлические NPs изготавливаются исключительно из металлических прекурсоров. Благодаря хорошо известным характеристикам локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR), эти NP обладают уникальными оптоэлектрическими свойствами. Азотистые частицы щелочных и благородных металлов, т.е. Cu, Ag и Au, имеют широкую полосу поглощения в видимой зоне электромагнитного солнечного спектра. Грань, размер и форма контролируемого синтеза металлических азотистых соединений важны в современных современных материалах (Dreaden и др., 2012). Благодаря своим передовым оптическим свойствам, азотистый металл находит применение во многих областях исследований. Золотое азотистое покрытие широко используется для отбора проб РЭМ, для усиления электронного потока, что способствует получению высококачественных изображений РЭМ (рис. 1). Существует множество других применений, которые подробно рассматриваются в разделе настоящего обзора, посвященном приложениям.
2.3. НП керамики
Керамика NPs - неорганические неметаллические твердые вещества, синтезированные с помощью тепла и последовательного охлаждения. Они могут быть обнаружены в аморфной, поликристаллической, плотной, пористой или полой форме (Зигмунд и др., 2006). Поэтому эти азотистые плазмы привлекают большое внимание исследователей благодаря их использованию в таких областях, как катализ, фотокатализ, фотодеградация красителей и визуализация. (Thomas et al., 2015).
2.4. Полупроводниковые НП
Полупроводниковые материалы обладают свойствами между металлами и неметаллами, поэтому в литературе они нашли различное применение благодаря этому свойству (Ali et al., 2017, Khan et al., 2017a). Полупроводниковые полупроводниковые материалы обладают широкими полосами пропускания и поэтому показали значительное изменение своих свойств при настройке полос пропускания. Поэтому они являются очень важными материалами в фотокатализе, фотооптике и электронных устройствах (Sun, 2000). Например, разнообразие полупроводниковых азотистых пластин признается исключительно эффективным в приложениях по расщеплению воды, благодаря их подходящему расположению в диапазоне и позиции полосы пропускания (Hisatomi et al., 2014).
2.5. Полимерные азотистые пластики
Как правило, это азотистые пластики на органической основе, и в литературе для них используется специальный термин полимерная наночастица (PNP). В основном это наносферы или нанокапсулы (Mansha и др., 2017). Первые представляют собой матричные частицы, общая масса которых, как правило, твердая, а остальные молекулы адсорбируются на внешней границе сферической поверхности. Во втором случае твердая масса полностью инкапсулируется в частицу (Rao and Geckeler, 2011). ПНП легко функционализируются и, таким образом, находят свое применение в литературе (Abd Ellah and Abouelmagd, 2016, Abouelmagd et al., 2016).
2.6. НП на основе липидов
Эти NP содержат липидные фрагменты и эффективно используются во многих биомедицинских приложениях. Как правило, липидный NP имеет характер сферическую форму с диаметром от 10 до 1000 нм. Как и полимерные азотистые пластики, липидный азотист обладает твердым ядром, изготовленным из липида, а матрица содержит растворимые липофильные молекулы. ПАВ или эмульгаторы стабилизировали внешнее ядро этих NP (Rawat и др., 2011). Липидные нанотехнологии (Машаги и др., 2013) - это особое направление, в котором основное внимание уделяется проектированию и синтезу липидных АФ для различных областей применения, таких как носители и доставка лекарств (Пури и др., 2009) и высвобождение РНК при лечении рака (Gujrati и др., 2014).
3. Синтез наночастиц
Для синтеза НП могут использоваться различные методы, но эти методы в целом делятся на два основных класса, а именно: (1) подход "снизу вверх" и (2) подход "сверху вниз" (Wang и Xia, 2004), как показано на Схеме 1 (Iravani, 2011). Эти подходы далее делятся на различные подклассы в зависимости от операции, состояния реакции и принятых протоколов.
3.1. Синтез сверху вниз
В этом методе используется деструктивный подход. Начиная с большой молекулы, которая разлагается на более мелкие единицы, а затем эти единицы преобразуются в подходящие НП. Примерами этого метода являются измельчение/измельчение, CVD, физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и другие методы разложения (Iravani, 2011). Этот подход используется для синтеза азота из кокосовой оболочки (CS). Для этого использовался метод измельчения, а сырые порошки CS тонко измельчались в разное время с помощью керамических шариков и известной планетарной мельницы. Они показали влияние времени измельчения на общий размер азота с помощью различных методов характеризации. Установлено, что с увеличением времени измельчения размер кристаллитов NPs уменьшается, как рассчитано по уравнению Шерера. Также было установлено, что с каждым часовым приростом коричневатый цвет исчезает в связи с уменьшением размера Азофоски. Результаты РЭМ также согласуются с рентгеновской картиной, которая также указывает на уменьшение размера частиц с течением времени (Bello et al., 2015).
В одном из исследований был обнаружен сферический магнетитовый синтез NPs из руды природного оксида железа (Fe2O3) методом деструкции сверху вниз с размерами частиц, варьирующимися от ∼20 до ∼50 нм в присутствии органической олеиновой кислоты (Приядаршана и др., 2015). Для синтеза коллоидных сферических углеродных частиц с контролируемым размером использовался простой нисходящий метод. Методика синтеза основана на непрерывной химической адсорбции полиоксометалатов (ПОМ) на межфазной поверхности углерода. Адсорбция превращала агрегаты сажи в относительно меньшие сферические частицы с высокой дисперсионной способностью и узким гранулометрическим составом, как показано на рис. 5 (Гарриг и др., 2004). На микрофотографиях также было показано, что размер частиц сажи уменьшается с течением времени сонации. Ряд нанодотов дихалькогенидов переходных металлов (TMD-NDs) были синтезированы комбинацией методов измельчения и эхолотирования "сверху-вниз" из их объемных кристаллов. Выявлено, что практически все ТМД-НД с размерами <10 нм демонстрируют отличную дисперсию за счет узкого распределения по размерам (Zhang et al., 2015). В последнее время высокофотоактивные активные NPs Co3O4 получают путем фрагментации лазером сверху вниз, которая представляет собой процесс сверху вниз. Мощные лазерные облучения генерируют хорошо однородные NP с хорошими вакансиями в кислороде (Zhou et al., 2016). Средний размер Co3O4 определен в диапазоне 5.8 нм ± 1.1 нм.