纳米化学涉及尺寸在 1-100 nm 范围内的材料的合成、表征和应用。在这种尺度上，由于两个关键因素，材料表现出不同于孤立原子和块状固体的特性：高表面积与体积比和量子限制效应。随着颗粒尺寸的减小，表面原子的比例急剧增加，从而使表面能和表面化学占主导地位。对于 10 nm 的颗粒，大约 15% 的原子位于表面；对于 2 nm 颗粒，该值超过 60%。这对催化、传感和反应性具有深远的影响。

量子限制

当材料的尺寸变得与激子玻尔半径相当或小于激子玻尔半径时，就会发生量子限制，从而限制电子和空穴的运动。最重要的结果是带隙（“E_g”）随着颗粒尺寸的减小而增加，将光吸收转移到更高的能量（更短的波长）。这种与尺寸相关的带隙由 Brus 方程描述：“E_g(R) = E_g(bulk) + h²/(8R²)(1/m_e* + 1/m_h*) - 1.8e²/(4πεε₀R)”，其中 R 是粒子半径，m_e* 和 m_h* 是电子和空穴的有效质量。第一个附加项代表量子局域化能量，而第二个附加项则说明电子和空穴之间的库仑吸引力（激子结合能）。

综合策略

纳米材料是通过两种互补的方法合成的。自上而下的方法从块状材料开始并减小其尺寸：光刻（光刻、电子束光刻）在表面上形成纳米级特征的图案；球磨将材料机械研磨成纳米颗粒；激光烧蚀通过汽化目标产生纳米颗粒。自下而上的方法从原子或分子前体构建纳米结构：溶胶-凝胶合成涉及金属醇盐的水解和缩合以形成氧化物网络；化学气相沉积 (CVD) 在加热的基材上分解挥发性前体；使用热注射方法的胶体合成通过快速使所有颗粒成核然后控制生长（奥斯特瓦尔德熟化）来生产单分散纳米颗粒。

金属纳米粒子

金纳米粒子 (AuNP) 可能是研究最多的金属纳米结构，因为它们由表面等离子共振 (SPR) 产生强烈的颜色。当纳米粒子中的传导电子与入射光共振集体振荡时，SPR 就会发生，在可见光区域产生强烈的吸收和散射。 SPR 波长取决于颗粒尺寸、形状和局部介电环境：球形 AuNP 在 ~520 nm（红色）处吸收，而纳米棒表现出两个等离子体激元带（横向和纵向），其中纵向带可调谐到近红外。这种可调性使其能够应用于比色传感（例如妊娠测试）、光热疗法和表面增强拉曼光谱（SERS）。银纳米粒子具有更强的SPR，广泛用作涂料、纺织品和伤口敷料中的抗菌剂。

量子点和碳纳米材料

量子点（QD）是一种半导体纳米晶体，具有尺寸可调的光致发光特性。硒化镉 (CdSe) 量子点的研究最多，通常用硫化锌 (ZnS) 壳钝化，以提高量子产率和光稳定性。通过增加颗粒尺寸（2-10 nm），发射波长从蓝色调整为红色。量子点具有窄、对称的发射光谱和宽的吸收光谱，使其在多重成像和生物标记方面优于有机染料。碳纳米材料代表了另一个主要类别。富勒烯（C₆₀、C₇₀）是零维碳笼；碳纳米管（CNT）是一维卷状石墨烯片（单壁或多壁）；石墨烯是一种二维 sp2 杂化碳片，具有卓越的电学、热学和机械性能。

表征技术

表征纳米材料需要能够解析亚纳米特征的专门技术。透射电子显微镜 (TEM) 使用聚焦电子束对颗粒进行低至原子分辨率的成像，提供有关尺寸、形状和结晶度的信息。扫描电子显微镜 (SEM) 通过检测二次电子以纳米分辨率对表面进行成像。原子力显微镜 (AFM) 使用锋利的尖端以亚纳米垂直分辨率绘制表面形貌图，适用于导电和绝缘样品。动态光散射 (DLS) 通过分析布朗运动引起的散射光强度波动来测量溶液中的颗粒尺寸。 X 射线衍射 (XRD) 可确认结晶度并通过谢乐方程测量微晶尺寸。

纳米材料的应用

纳米技术在各个领域都有革命性的应用。在医学中，纳米颗粒用作药物输送载体，可提高生物利用度、实现靶向输送（通过抗体或配体的表面功能化）并提供受控释放。脂质体、聚合物纳米粒子和介孔二氧化硅纳米粒子等纳米载体正处于临床使用或高级试验中。在催化作用中，纳米颗粒具有高表面积和尺寸依赖性活性；金纳米颗粒作为散装材料呈惰性，成为 CO 氧化和其他 5 nm 以下反应的优异催化剂。在传感中，等离激元纳米颗粒对局部折射率变化的极高敏感性使得能够对阿摩尔浓度的生物分子进行无标记检测。环境应用包括纳滤膜、使用 TiO2 纳米粒子光催化降解污染物以及用于重金属检测的纳米传感器。