利用新型氧化物納米顆粒制成的柔性傳感器原型

智能手機(jī)電容器主要制造商村田（Murata）開發(fā)的新型納米顆粒和量子點(diǎn)，有望將微小的可打印組件和量子級(jí)生物標(biāo)志物帶入我們的日常生活。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，村田制作所（以下簡(jiǎn)稱“村田”）供應(yīng)的多層陶瓷電容器（MLCC）和無(wú)源組件等產(chǎn)品，在全球許多移動(dòng)電話和電子設(shè)備中都可以找到。村田的MLCC——通過(guò)臨時(shí)存儲(chǔ)多余電荷來(lái)調(diào)節(jié)電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的穩(wěn)定功能——目前占全球MLCC總銷量的40%左右。

高端智能手機(jī)配備了大約1000個(gè)MLCC，而電池和電路小型化的最新進(jìn)展，意味著MLCC的容量和尺寸現(xiàn)在成為生產(chǎn)更輕、更緊湊型產(chǎn)品的關(guān)鍵瓶頸之一。

現(xiàn)在，村田正在開發(fā)的新型MLCC或?qū)⒅挥?.25毫米長(zhǎng)，這比該公司目前生產(chǎn)的最小MLCC還要小得多。

采用雙鹽聚合方法制備的氧化物納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖像

溶液中的解決方案

MLCC通常由夾在電極之間的絕緣或介質(zhì)超細(xì)顆粒薄膜組成?！拔覀円恢痹趪L試開發(fā)各種介質(zhì)納米顆粒的制造方法，以構(gòu)建多個(gè)非常薄的介質(zhì)層，在一個(gè)非常小的封裝中實(shí)現(xiàn)高電容。”村田負(fù)責(zé)納米顆粒制造技術(shù)研發(fā)的負(fù)責(zé)人Keigo Suzuki解釋說(shuō)。然而，他表示，真正的突破在于適合新業(yè)務(wù)的制造方法。

Suzuki說(shuō)：“我們開發(fā)了一種制造各種功能性氧化物納米顆粒的方法，使用一種將化合物分散在溶液中的反膠束技術(shù)?！痹谠摷夹g(shù)中，水解反應(yīng)在分散在疏水溶劑中的小水滴中進(jìn)行，生成的氧化物納米顆粒在合適的溶液中相互排斥。

采用雙鹽聚合方法制備的功能性氧化物納米顆粒的膠體溶液

但Suzuki表示，需要一種更好的大規(guī)模生產(chǎn)方法來(lái)降低成本并提高產(chǎn)量，“我們最終開發(fā)了一種很有前途的制造方法，稱為雙鹽聚合方法，它使我們能夠利用低成本材料大規(guī)模生產(chǎn)各種高濃度且分散良好的氧化物納米顆粒?！?/p>

雙鹽聚合方法依賴溶液中兩種含金屬的雙鹽之間的相互作用。通過(guò)鹽的脫水縮合，金屬氧化物形成并聚合，產(chǎn)生形態(tài)一致的納米顆粒，它們可以很好地分散在液體介質(zhì)中形成膠體溶液。

不同氧化物納米顆粒層可以為用于能量轉(zhuǎn)換的許多技術(shù)提供有效的電荷載流子分離

村田開發(fā)的這種納米顆粒與眾不同之處在于它們不易團(tuán)聚。這是由于在生產(chǎn)過(guò)程中，納米顆粒中摻入了短有機(jī)配體。這些配體還可以在相對(duì)較低的溫度下燒結(jié)納米顆粒，從而為油墨和其他可打印應(yīng)用開辟了可能。燒結(jié)是一種通過(guò)加熱或加壓（非熔化）將材料壓縮成固體的過(guò)程。

“將其應(yīng)用于可打印和柔性電子產(chǎn)品的潛力特別令人興奮。”開發(fā)雙鹽聚合方法的Yusuke Otsuka介紹說(shuō)。這種易于燒結(jié)的能力不僅可以生產(chǎn)各種新型器件（如傳感器、透明導(dǎo)電膜和光電極），還可以在許多用于能量轉(zhuǎn)換的技術(shù)中堆疊不同的納米顆粒層，以實(shí)現(xiàn)有效的電荷載流子分離。

Otsuka說(shuō)，該技術(shù)在可再生技術(shù)領(lǐng)域的潛在用途也很有前景：“這些納米顆?；诘厍蛏铣Ｒ姷脑?，對(duì)環(huán)境相當(dāng)友好，將在太陽(yáng)能電池和電氣元件中展現(xiàn)高性能，以及很強(qiáng)的光催化活性。”

村田從事納米顆粒制造技術(shù)研發(fā)的Keigo Suzuki、Yusuke Otsuka和Norikazu Fujihira（從左到右），他們研究出大批量生產(chǎn)各種納米顆粒的方法。

生物醫(yī)學(xué)成像

村田還開發(fā)了新型量子點(diǎn)，一種特殊類型的納米顆粒，具有較大粒子所沒(méi)有的量子力學(xué)、光學(xué)和電子特性。

量子效應(yīng)限制了原子的電子和電子空穴能量，使顆粒在暴露于紫外光時(shí)能夠發(fā)射特定波長(zhǎng)的光。該特性可用于標(biāo)記和成像生物組織，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像。

新型量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)之一是不含傳統(tǒng)量子點(diǎn)中常見的有毒物質(zhì)。這種量子點(diǎn)通過(guò)商業(yè)化規(guī)模的制造工藝生產(chǎn)，以可靠地產(chǎn)生具有特定峰值發(fā)光波長(zhǎng)的顆粒。

“絕大多數(shù)商業(yè)化的量子點(diǎn)都含有鎘和硒等有害有毒元素?！贝逄镅邪l(fā)團(tuán)隊(duì)成員Norikazu Fujihira解釋稱，“這使得這些量子點(diǎn)難以用于一般產(chǎn)品，更難以用于化學(xué)試劑和醫(yī)療應(yīng)用?！?/p>

Fujihira及其同事與名古屋大學(xué)（Nagoya University）合作，通過(guò)結(jié)合半導(dǎo)體化合物開發(fā)了一種新型量子點(diǎn)產(chǎn)品。重要的是，這些量子點(diǎn)不含鎘、硒、鉛或汞等有毒物質(zhì)。Fujihira解釋說(shuō)，這為利用它們標(biāo)記并對(duì)活體組織中的生物過(guò)程進(jìn)行成像打開了大門。

這些量子點(diǎn)也比常用的活體組織成像材料（如熒光染料或綠色熒光蛋白）具有更高的亮度和更長(zhǎng)的壽命。

村田開發(fā)的新型量子點(diǎn)被證明可用于細(xì)胞內(nèi)和體內(nèi)成像

村田希望其量子點(diǎn)未來(lái)可以被證明對(duì)移植細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)成像、體內(nèi)成像以及它們?cè)诮M織和器官中的富集和整合特別有用。

Fujihira的團(tuán)隊(duì)還成功開發(fā)了一種商業(yè)規(guī)模的制造工藝，以可靠地生產(chǎn)具有特定峰值發(fā)光波長(zhǎng)的顆粒。他們現(xiàn)在已經(jīng)將膠體量子點(diǎn)商業(yè)化，用作活細(xì)胞的熒光標(biāo)記。

Fujihira表示，雖然它們也可以用于能量轉(zhuǎn)換以及LED和顯示器等光學(xué)設(shè)備，但村田的重點(diǎn)一直是生物成像，這方面的需求很大。他補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)復(fù)雜的配體工程、調(diào)整亮度和發(fā)光清晰度等手段，不斷改善量子點(diǎn)的發(fā)光特性。

可持續(xù)解決方案

Suzuki說(shuō)：“我們認(rèn)為下一個(gè)重大挑戰(zhàn)是如何在日常設(shè)備中始終如一地發(fā)揮這些材料的潛力。我們預(yù)計(jì)，由于納米顆粒的高功能性和高效資源利用，它們的開發(fā)將變得越來(lái)越重要。”

Suzuki特別指出，納米顆粒和量子點(diǎn)有望為可再生能源領(lǐng)域帶來(lái)重大影響，降低用于制造太陽(yáng)能電池的資源影響，并有望作為一種新型水分解高效光催化劑，用于氫能源生產(chǎn)。