JP2005161238A - Production method of nanoparticle or nanostructure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はナノ粒子あるいはナノ構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing nanoparticles or nanostructures.
従来、ナノ粒子を合成する技術としては、さまざまな合成法が提唱されており、大きく分けて、気相合成法、液相合成法に分けられる。
気相合成法は、たとえば適当な雰囲気下で原料ガスを化学的に反応させることにより粒子を合成する方法（ＣＶＤ法）があり、用いる熱源によってプラズマ法（例えば、非特許文献１参照。）、火炎法（例えば、特許文献１参照。）等があり、プラズマ法は不純物を少なくできるという特徴を有し、火炎法は生産量を大きくすることができるという特徴を有する。
液相合成法には、液中でナノ粒子を形成する一般的な液相合成法（例えば、特許文献２参照。）と、液相合成法の範疇ではあるが、液体を噴霧して噴霧液滴中でナノ粒子を形成する噴霧法（例えば、非特許文献２参照。）がある。
The gas phase synthesis method includes, for example, a method of synthesizing particles by chemically reacting raw material gases in an appropriate atmosphere (CVD method), and a plasma method (for example, see Non-Patent Document 1) depending on the heat source used. There are flame methods (see, for example, Patent Document 1) and the like. The plasma method has a feature that impurities can be reduced, and the flame method has a feature that the production amount can be increased.
The liquid phase synthesis method includes a general liquid phase synthesis method for forming nanoparticles in a liquid (see, for example, Patent Document 2) and a liquid phase synthesis method. There is a spraying method (for example, see Non-Patent Document 2) in which nanoparticles are formed in a droplet.
しかし、プラズマ法は、合成量が小さく、装置もガス等を用いるため合成する材料によっては管理が大変である。
また、火炎法は、火炎の中で合成するため、熱による融着のため凝集が激しく、ナノ粒子の単分散性が乏しい。
一般的な液相合成法は、結晶性が悪く、また、不純物の問題もある。
噴霧法は、通常、噴霧の液滴サイズに粒子径が左右されるため、たとえば粒子径を小さくする場合、生産量が小さくなったり、液滴サイズのばらつきにより粒子径にばらつきが生じたりする問題がある。
こういった理由から、これまで粒径のそろった、組成の均一なナノ粒子を凝集することなく大量に合成する技術は無かった。
また、ナノ粒子の形成と同時にナノ粒子を一定の形状に配列させたナノ構造体を得る方法はなかった。
However, the plasma method is difficult to manage depending on the material to be synthesized because the amount of synthesis is small and the apparatus uses gas or the like.
In addition, since the flame method is synthesized in a flame, it is agglomerated due to heat fusion and the monodispersity of nanoparticles is poor.
A general liquid phase synthesis method has poor crystallinity and also has a problem of impurities.
In the spray method, since the particle size is usually affected by the droplet size of the spray, for example, when the particle size is reduced, the production volume is reduced or the particle size varies due to variations in the droplet size. There is.
For these reasons, there has been no technology for synthesizing a large amount of uniform-sized nanoparticles having a uniform composition without agglomeration.
In addition, there has been no method for obtaining a nanostructure in which nanoparticles are arranged in a certain shape simultaneously with the formation of nanoparticles.
本発明は、上記の状況に鑑み、簡便な方法で形状、サイズ、組成を制御したナノ粒子、ナノ粒子構造体を大量に製造できるナノ粒子あるいはナノ構造体の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention aims to provide a nanoparticle whose shape, size, and composition are controlled by a simple method, a nanoparticle capable of producing a large amount of a nanoparticle structure, or a method for producing a nanostructure. To do.
すなわち、本発明のナノ粒子の製造方法は、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物と共重合体（Ｂ）とを共通の溶媒中に存在させ、前記共重合体（Ｂ）の特定部分近傍での粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の濃度を高めた後、粒子構成成分（Ａ）からなるナノ粒子あるいはナノ構造体を形成することを特徴とする。 That is, in the method for producing nanoparticles of the present invention, the particle component (A) or a compound containing the particle component (A) and the copolymer (B) are present in a common solvent, and the copolymer ( B) After increasing the concentration of the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) in the vicinity of the specific portion, forming a nanoparticle or nanostructure composed of the particle component (A) Features.
本発明のナノ粒子、ナノ構造体の製造方法によれば、簡便な方法で形状、サイズ、組成を制御したナノ粒子、ナノ粒子構造体を大量に製造することができる。また、これらの製造方法は、工程として非常にシンプルで、工業的にも優れた手法である。 According to the method for producing nanoparticles and nanostructures of the present invention, a large amount of nanoparticles and nanoparticle structures whose shapes, sizes, and compositions are controlled by a simple method can be produced. Moreover, these manufacturing methods are very simple as a process and are industrially excellent methods.
本発明のナノ粒子あるいはナノ構造体の製造方法は、共重合体（Ｂ）をテンプレートとして働かせ、共重合体（Ｂ）の特定部分近傍での粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の濃度を高める、すなわち粒子構成成分（Ａ）を共重合体（Ｂ）の特定部分近傍にナノレベルで偏在させることにより、粒子構成成分（Ａ）からなる組成が均一なナノ粒子あるいはナノ構造体を形成するものである。
この共重合体の特定部分とは、例えば、共重合体（Ｂ）のうち粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物に対し、親和性を有する部分など、これらの成分や化合物が集まりやすい部分をいう。
In the method for producing nanoparticles or nanostructures of the present invention, the copolymer (B) is used as a template, and the particle constituent component (A) or the particle constituent component (A) in the vicinity of a specific portion of the copolymer (B). The concentration of the compound containing the component (A) is increased, that is, the particle component (A) is unevenly distributed near the specific portion of the copolymer (B) at the nano level. It forms a nanostructure.
The specific part of the copolymer is, for example, a component having an affinity for the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) in the copolymer (B). This refers to the part where compounds are likely to gather.
ナノ構造体はナノ粒子が特定の形状に配列集合したものであり、形状としては、粒子状、格子状等の編み目状、棒状、板状、多孔体状、ドーナツ状、中空状あるいは種々の複雑な形状を挙げることができる。粒子状の場合は、ランダムに凝集した凝集体とは異なり、均一な形状、均一な大きさの粒子状構造体である。このようなナノ構造体に対して、ナノ粒子は単分散ナノ粒子を示す。 A nanostructure is a collection of nanoparticles arranged in a specific shape. The shape can be particles, lattices, etc., rods, plates, porouss, donuts, hollows, or various complex shapes. Can be mentioned. In the case of a particulate form, unlike a randomly aggregated aggregate, it is a particulate structure having a uniform shape and a uniform size. In contrast to such nanostructures, nanoparticles represent monodisperse nanoparticles.
粒子構成成分（Ａ）は、金属元素、非金属元素等、特に限定されるものではなく、目的とするナノ粒子またはナノ構造体の組成により１種類または２種類以上を用いることができる。 The particle component (A) is not particularly limited, such as a metal element or a nonmetal element, and one or more kinds can be used depending on the composition of the target nanoparticles or nanostructures.
粒子構成成分（Ａ）を含む化合物としては、粒子構成成分（Ａ）が金属元素の場合、例えば、金属の無機塩、金属の有機酸塩、金属錯体等を使用することができる。ここでの金属錯体は金属錯体オリゴマー、金属の高分子錯体を含む。金属の無機塩としては、例えば硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩等を、金属の有機酸塩としては、例えば乳酸塩等を挙げることができる。金属錯体としては、例えばアセチルアセトナート錯体等を挙げることができる。金属錯体オリゴマーとしては、例えばアセチルアセトナート錯体が数個から数百個架橋した錯体等を例示でき、金属の高分子錯体としては、例えばクエン酸錯体がエステル架橋した高分子等を例示できる。 As the compound containing the particle constituent component (A), when the particle constituent component (A) is a metal element, for example, a metal inorganic salt, a metal organic acid salt, a metal complex, or the like can be used. The metal complex here includes a metal complex oligomer and a metal polymer complex. Examples of the metal inorganic salt include sulfate, nitrate, hydrochloride, and the like, and examples of the metal organic acid salt include lactate. Examples of the metal complex include acetylacetonate complex. Examples of the metal complex oligomer include a complex in which several to several hundreds of acetylacetonate complexes are cross-linked, and examples of the metal polymer complex include a polymer in which a citric acid complex is cross-linked with an ester.
特に、金属錯体オリゴマーや金属の高分子錯体を用いると、金属成分を加熱等により粒子化する際、特定の成分だけ粒子化したり、抜け出したりして、成分が偏ることがないため、粒子の組成を均一にすることができるので好ましい。特に多成分系の複合金属ナノ粒子、複合酸化物ナノ粒子を製造する際には、これらの金属錯体オリゴマーや金属の高分子錯体を用いると、組成が均一で、不純物が少なく、結晶性の高い粒子を合成することができる。このため、適宜、粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の種類を選択することにより、目的とするナノ粒子あるいはナノ構造体の成分の精密な制御が可能になる。 In particular, when a metal complex oligomer or a metal polymer complex is used, when a metal component is formed into particles by heating or the like, only a specific component is formed into a particle, or the component is not biased. Can be made uniform. In particular, when producing multi-component composite metal nanoparticles and composite oxide nanoparticles, using these metal complex oligomers or metal polymer complexes, the composition is uniform, the impurities are low, and the crystallinity is high. Particles can be synthesized. For this reason, by appropriately selecting the type of the compound containing the particle constituent component (A), it is possible to precisely control the components of the target nanoparticles or nanostructure.
例えば、チタン酸バリウムストロンチウムのナノ粒子あるいはナノ構造体を合成したい場合は、粒子構成成分（Ａ）を含む化合物として、例えば、チタン、バリウム、ストロンチウムのアセチルアセトナート錯体を架橋したアセチルアセトナート高分子錯体や、チタン、バリウム、ストロンチウムのポリエステル錯体（高分子錯体）を用いると、金属塩を混合した場合や個別の金属錯体を混合しただけの場合に比べて、得られる生成物がより均一で、原料の組成比に限りなく近くなる。 For example, when it is desired to synthesize nanoparticles or nanostructures of barium strontium titanate, as a compound containing the particle component (A), for example, an acetylacetonate polymer in which an acetylacetonate complex of titanium, barium, or strontium is crosslinked. When using a complex or a polyester complex (polymer complex) of titanium, barium, or strontium, the resulting product is more uniform than when mixing metal salts or mixing individual metal complexes. It becomes as close as possible to the composition ratio of the raw materials.
共重合体（Ｂ）としては、溶媒中において特定部分近傍での粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の濃度を高めることができるものであれば特に限定されるものではないが、共重合体（Ｂ）が、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物に対し、親和性のある部分（Ｃ）と、親和性のない部分（Ｄ）とからなることが好ましい。
粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物が、親和性のある部分（Ｃ）に引き寄せられることにより共重合体（Ｂ）の特定部分の近傍における粒子構成成分（Ａ）の濃度を高くすることができる。
The copolymer (B) is not particularly limited as long as it can increase the concentration of the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) in the vicinity of a specific portion in the solvent. Although the copolymer (B) has a part having affinity (C) and a part having no affinity (D) for the particle component (A) or the compound containing the particle component (A). It is preferable to become.
The particle component (A) or the compound containing the particle component (A) is attracted to the affinity part (C), whereby the particle component (A) in the vicinity of the specific part of the copolymer (B). The concentration can be increased.
また、共重合体（Ｂ）は、ブロック共重合体またはグラフト共重合体であることが好ましい。
それ自身が重合体である複数の成分が結合したこれらの共重合体を使用すると、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物と親和性のある重合体部分（Ｃ）の近傍に粒子構成成分（Ａ）を偏在させやすく、また、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物と親和性のある重合体部分（Ｃ）の重合度を調整し、この部分の鎖の長さを変えることにより、形成するナノ粒子の大きさを制御することができる。すなわち、この部分の鎖の長さを短くすることにより形成されるナノ粒子の大きさを小さくすることができ、この部分の鎖の長さを長くすることにより形成されるナノ粒子の大きさを大きくすることができる。
The copolymer (B) is preferably a block copolymer or a graft copolymer.
When these copolymers in which a plurality of components which are themselves polymers are combined are used, the particle component (A) or the polymer portion (C) having an affinity for the compound containing the particle component (A) The particle component (A) is easily distributed in the vicinity, and the degree of polymerization of the polymer component (C) having affinity with the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) is adjusted. By changing the length of the partial chain, the size of the formed nanoparticles can be controlled. That is, the size of the nanoparticles formed can be reduced by shortening the length of the chain in this part, and the size of the nanoparticles formed by increasing the length of the chain in this part can be reduced. Can be bigger.
ナノ構造体を形成させる場合は、ナノ粒子を形成する場合に比べ、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物と親和性のある重合体部分（Ｃ）の鎖の長さを長くし、さらに、これらの共重合体（Ｂ）を、溶媒中で一定の配列をもった集合体を形成させることで、共重合体（Ｂ）の集合体の形に応じた形状のナノ構造体を形成することができる。
共重合体（Ｂ）の親和性のある重合体部分（Ｃ）近傍に単分散ナノ粒子を形成するサイズで粒子構成成分（Ａ）を偏在させた状態でナノ粒子を形成させれば単分散ナノ粒子が得られ、ナノレベルであってもより大きなサイズで偏在させた状態でナノ粒子を形成させればナノ構造体が得られる。
In the case of forming a nanostructure, the chain length of the polymer part (C) having an affinity for the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) as compared with the case of forming the nanoparticle In addition, by forming these copolymers (B) into aggregates having a certain arrangement in a solvent, the nanoparticle having a shape corresponding to the shape of the aggregate of the copolymers (B) is formed. A structure can be formed.
If the nanoparticles are formed in a state where the particle component (A) is unevenly distributed in a size that forms monodisperse nanoparticles in the vicinity of the polymer part (C) having an affinity for the copolymer (B), monodisperse nano Particles can be obtained, and nanostructures can be obtained by forming nanoparticles in a state of being unevenly distributed in a larger size even at the nano level.
また、共重合体（Ｂ）は、溶媒中での共重合体（Ｂ）の濃度がある濃度以上になった場合に、溶媒中で一定の配列をもった集合体を形成するものであることが好ましい。
共重合体（Ｂ）が、溶媒中で一定の配列をもった集合体を形成すると、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物と親和性のある部分（Ｃ）の近傍に粒子構成成分（Ａ）を偏在するため、共重合体（Ｂ）の集合体の形に応じた形状のナノ粒子またはナノ構造体を形成することができる。
The copolymer (B) forms an aggregate having a certain arrangement in the solvent when the concentration of the copolymer (B) in the solvent exceeds a certain concentration. Is preferred.
When the copolymer (B) forms an aggregate having a certain arrangement in a solvent, the particle component (A) or the vicinity of the portion (C) having an affinity for the compound containing the particle component (A) Since the particle constituent component (A) is unevenly distributed, nanoparticles or nanostructures having a shape corresponding to the shape of the assembly of the copolymer (B) can be formed.
例えば、共重合体（Ｂ）が、親和性のある部分（Ｃ）を内側に、親和性のない部分（Ｄ）を外側にして球状の集合体を形成すると、親和性のある部分（Ｃ）の近傍に粒子構成成分（Ａ）が偏在するため、球状のナノ粒子を形成することができる。例えば、親和性のある部分（Ｃ）を内側に、親和性のない部分（Ｄ）を外側にして棒状の集合体を形成すると、親和性のある部分（Ｃ）の近傍に粒子構成成分（Ａ）が偏在するため、棒状のナノ粒子を形成することができ、共重合体（Ｂ）が、同様に、板状の集合体を形成すると板状のナノ粒子を形成することができる。 For example, when the copolymer (B) forms a spherical aggregate with the affinity part (C) on the inside and the non-affinity part (D) on the outside, the affinity part (C) Since the particle component (A) is unevenly distributed in the vicinity of, spherical nanoparticles can be formed. For example, when a rod-like aggregate is formed with the affinity part (C) on the inside and the non-affinity part (D) on the outside, the particle component (A) is formed in the vicinity of the affinity part (C). ) Is unevenly distributed, rod-like nanoparticles can be formed, and when the copolymer (B) forms a plate-like assembly, plate-like nanoparticles can be formed.
また、例えば、共重合体（Ｂ）が格子状の集合体を形成すると、格子状のナノ構造体が形成でき、この他にもネットワーク状、ドーナツ状、多孔体状、中空状等のナノ粒子やナノ構造体を得ることができる。 In addition, for example, when the copolymer (B) forms a lattice-like aggregate, a lattice-like nanostructure can be formed. In addition, nanoparticles such as a network shape, a donut shape, a porous shape, and a hollow shape can be formed. And nanostructures can be obtained.
溶媒中での濃度がある濃度以上になった場合に、溶媒中で一定の配列をもった集合体を形成する共重合体（Ｂ）は、前記親和性のある部分（Ｃ）と前記親和性のない部分（Ｄ）のように異なる性質を有する２種以上の部分からなり、親和性のある部分（Ｃ）と親和性のない部分（Ｄ）の性質の違いの大きさ、親和性のある部分（Ｃ）及び親和性のない部分（Ｄ）の長さ等を制御することにより得ることができる。また、集合体の形状は、例えば、親和性のある部分（Ｃ）と親和性のない部分（Ｄ）と溶媒との親和性、親和性のある部分（Ｃ）と親和性のない部分（Ｄ）の種類、長さ、割合、親和性のある部分（Ｃ）と親和性のない部分（Ｄ）の架橋形状、粒子構成成分（Ａ）の共重合体（Ｂ）に対する濃度等によりコントロールできる。
この重合体（Ｂ）の集合体の形成方法は特に限定されるものではないが、例えば、共重合体（Ｂ）の溶媒中の濃度を変化させる、あるいは異なる種類の溶媒を添加することによる、溶媒の極性の変化や、共重合体の溶解度の変化等、溶媒の性質の変化によって生じる、共重合体（Ｂ）の自己組織化作用を利用して形成することができる。その他にも、例えば、スプレー等による噴霧、フィルムや基板上への塗布により、共重合体（Ｂ）の集合体を形成することができる。
溶媒中に共重合体（Ｂ）と粒子構成成分（Ａ）が存在する状態で、共重合体（Ｂ）の集合体を形成してもよく、共重合体（Ｂ）の集合体を形成した後に粒子構成成分（Ａ）を加えてもよい。
When the concentration in the solvent reaches a certain concentration or more, the copolymer (B) that forms an aggregate having a certain sequence in the solvent has the affinity part (C) and the affinity. It consists of two or more parts having different properties such as the part (D) having no affinity, and the difference in properties between the part (D) having affinity and the part (D) having no affinity has affinity It can be obtained by controlling the length of the part (C) and the part (D) having no affinity. The shape of the aggregate is, for example, the affinity between the affinity part (C) and the affinity part (D) and the solvent, the affinity part (C) and the affinity part (D) ) Type, length, ratio, cross-linked shape of the part (D) having affinity and the part (D) having no affinity, the concentration of the particle component (A) with respect to the copolymer (B), and the like.
The method for forming the aggregate of the polymer (B) is not particularly limited. For example, by changing the concentration of the copolymer (B) in the solvent, or by adding a different type of solvent, It can be formed by utilizing the self-organizing action of the copolymer (B) caused by changes in the properties of the solvent, such as changes in the polarity of the solvent and changes in the solubility of the copolymer. In addition, for example, the aggregate of the copolymer (B) can be formed by spraying with a spray or the like, or coating on a film or a substrate.
An aggregate of the copolymer (B) may be formed in the state where the copolymer (B) and the particle component (A) are present in the solvent, and the aggregate of the copolymer (B) is formed. The particle component (A) may be added later.
さらに、例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は本例のみに限定されるものではない。
まず、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物を溶媒に溶解または分散させる。
次に、共重合体（Ｂ）を溶媒に溶解または分散させる。
溶媒としては、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物および共重合体（Ｂ）を溶解または分散させるものであれば特に限定されず、例えば、水、有機溶媒等が挙げられ、有機溶媒としては、例えば、アルコール類、エーテル類、エステル類、炭化水素類等が挙げられる。
Furthermore, although an example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited only to this example.
First, the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) is dissolved or dispersed in a solvent.
Next, the copolymer (B) is dissolved or dispersed in a solvent.
The solvent is not particularly limited as long as it dissolves or disperses the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) and the copolymer (B), and examples thereof include water and organic solvents. Examples of the organic solvent include alcohols, ethers, esters, and hydrocarbons.
溶媒中では、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物が共重合体（Ｂ）の前記重合体部分（Ｃ）の近傍に集まり、この部分での粒子構成成分（Ａ）の濃度が高くなる。この際、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物は、共重合体（Ｂ）の（Ｃ）部分と、水素結合、配位結合等で結合している、ファンデルワールス力等でゆるやかに結合している、あるいは、お互いの相互作用で引き寄せられていることが好ましい。 In the solvent, the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) gathers in the vicinity of the polymer portion (C) of the copolymer (B), and the particle component (A) in this portion. The concentration of becomes higher. At this time, the particle constituent component (A) or the compound containing the particle constituent component (A) is bonded to the (C) portion of the copolymer (B) by a hydrogen bond, a coordinate bond, or the like. It is preferable that they are loosely coupled by force or the like, or attracted by mutual interaction.
共重合体（Ｂ）を構成する前記親和性のある部分（Ｃ）と前記親和性のない部分（Ｄ）の鎖の長さ、種類等を変えることにより、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の集合度合いを原子レベルで調整することができる。 By changing the chain length, type, etc. of the affinity part (C) and the non-affinity part (D) constituting the copolymer (B), the particle component (A) or the particle composition The degree of assembly of the compound containing component (A) can be adjusted at the atomic level.
粒子構成成分（Ａ）が金属元素の場合、前記親和性のある部分（Ｃ）は、例えば、金属イオンと錯形成するあるいは結合する極性基を有する重合体であることが好ましい。このような極性基としては、カルボキシル基、アミノ基、水酸基、スルホ基等が挙げられる。 When the particle component (A) is a metal element, the affinity portion (C) is preferably a polymer having a polar group that forms a complex or bonds with a metal ion, for example. Examples of such a polar group include a carboxyl group, an amino group, a hydroxyl group, and a sulfo group.
次に、溶媒を蒸発させることにより、その過程で共重合体（Ｂ）が一定の配列で並んだ集合体を形成する。共重合体（Ｂ）は、溶媒が充分多量に存在している間は、溶媒中にランダムに存在しているが、溶媒が蒸発し、共重合体（Ｂ）の濃度が増加するに伴い、自己組織化作用により、一定の配列で並んだ、一定の形状を有する集合体を形成する。特に、ブロック共重合体は、この作用が強く、本発明の共重合体として好ましい。 Next, by evaporating the solvent, an aggregate in which the copolymers (B) are arranged in a certain arrangement is formed in the process. Copolymer (B) is present in the solvent at random while the solvent is present in a sufficiently large amount, but as the solvent evaporates and the concentration of copolymer (B) increases, Due to the self-organizing action, aggregates having a certain shape and arranged in a certain arrangement are formed. In particular, the block copolymer has a strong effect and is preferable as the copolymer of the present invention.
溶媒の蒸発方法としては、加熱、あるいは真空吸引等、通常、溶媒の蒸発に用いられる方法を用いることができる。またさらに、スプレー等を用い噴霧することにより、効率的に溶媒を蒸発させることができる。 As a method for evaporating the solvent, a method usually used for evaporating the solvent, such as heating or vacuum suction, can be used. Furthermore, the solvent can be efficiently evaporated by spraying using a spray or the like.
このように形成された共重合体（Ｂ）の集合体は、前記親和性のある部分（Ｃ）とからなる領域と前記親和性のない部分（Ｄ）からなる領域とで形成される。粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物は、ポリマー内に偏在的に固定され、ナノレベルで集合した状態となっている（前駆体）。 The assembly of the copolymer (B) thus formed is formed of a region composed of the affinity portion (C) and a region composed of the non-affinity portion (D). The particle component (A) or the compound containing the particle component (A) is ubiquitously fixed in the polymer and is in a state of being aggregated at the nano level (precursor).
また、この共重合体（Ｂ）への粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の固定化は、共重合体（Ｂ）が一定の配列でならんだ集合体を形成する前に行われていてもよく、この集合体を形成する過程で行われていてもよい。また、共重合体（Ｂ）が一定の配列でならんだ集合体を形成した後に、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物を投入し、これらを固定化してもよい。 Further, the immobilization of the particle constituent component (A) or the compound containing the particle constituent component (A) to the copolymer (B) forms an aggregate in which the copolymer (B) is arranged in a fixed arrangement. It may be performed before or in the process of forming this aggregate. Further, after forming an aggregate in which the copolymer (B) is arranged in a certain arrangement, the particle constituent component (A) or a compound containing the particle constituent component (A) may be added to fix them.
前駆体は、このままでは不安定であるため、次に、この前駆体を、ナノ粒子化またはナノ構造体化する。その手法としては、特に限定されるものではないが、例えば、化学反応や加熱を利用した方法等が用いられる。
粒子構成成分（Ａ）を用いた場合は、加熱により粒子構成成分（Ａ）を含むナノ粒子またはナノ構造体を生成させることができる。また、化学反応により粒子構成成分（Ａ）を含むナノ粒子またはナノ構造体を生成させることもできる。粒子構成成分（Ａ）を含む化合物を用いた場合も、同様に加熱により粒子構成成分（Ａ）を含むナノ粒子またはナノ構造体を生成させることができ、化学反応によっても同様に粒子構成成分（Ａ）を含むナノ粒子またはナノ構造体を生成させることができる。加熱による処理と化学処理を組み合わせてもよい。通常、加熱処理は粒子の結晶性が向上するため、好ましい。
例えば、粒子構成成分（Ａ）の化合物がＰｔの金属錯体の場合、加熱によりＰｔナノ粒子またはナノ構造体を生成させることができる。また、粒子構成成分（Ａ）の化合物がバリウム・チタンの複合金属錯体の場合、酸素ガスと反応させて加熱することにより、チタン酸バリウムナノ粒子またはナノ構造体を生成することができる。さらに例えば、粒子構成成分（Ａ）の化合物がＡｇの金属錯体の場合、酸素ガスと反応させて加熱することにより、酸化銀ナノ粒子またはナノ構造体を生成することができ、硫化水素ガスと反応させることにより、硫化銀ナノ粒子またはナノ構造体を生成させることができる。また、硫化銀ナノ粒子またはナノ構造体を合成する際に加熱を併用することにより、さらに結晶性の良い酸化物ナノ粒子またはナノ構造体が得られる。
Since the precursor is unstable as it is, the precursor is then nanoparticulated or nanostructured. The method is not particularly limited, and for example, a method using chemical reaction or heating is used.
When the particle component (A) is used, nanoparticles or nanostructures containing the particle component (A) can be generated by heating. Moreover, the nanoparticle or nanostructure containing a particle structural component (A) can also be produced | generated by chemical reaction. Even when the compound containing the particle constituent component (A) is used, nanoparticles or nanostructures containing the particle constituent component (A) can be similarly generated by heating, and the particle constituent component ( Nanoparticles or nanostructures comprising A) can be generated. You may combine the process by heating and a chemical process. Usually, heat treatment is preferable because the crystallinity of the particles is improved.
For example, when the compound of the particle component (A) is a metal complex of Pt, Pt nanoparticles or nanostructures can be generated by heating. When the compound of the particle constituent component (A) is a barium / titanium composite metal complex, barium titanate nanoparticles or nanostructures can be produced by reacting with oxygen gas and heating. Further, for example, in the case where the compound of the particle component (A) is an Ag metal complex, silver oxide nanoparticles or nanostructures can be produced by reacting with oxygen gas and heating to react with hydrogen sulfide gas. By doing so, silver sulfide nanoparticles or nanostructures can be generated. Further, by combining heating when synthesizing silver sulfide nanoparticles or nanostructures, oxide nanoparticles or nanostructures with better crystallinity can be obtained.
化学反応を利用する方法としては、例えば、酸化剤や還元剤を添加する方法が挙げられる。酸化剤としては、例えば、過酸化水素等を挙げることができ、酸化剤を利用すると、酸化物ナノ粒子またはナノ構造体を合成することができる。還元剤としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウム、過マンガン酸カリウム等を挙げることができ、還元剤を用いると、例えば金属イオンを還元し、ナノレベルの金属粒子または構造体を形成することができる。これらの酸化あるいは還元化学反応に併用して、超音波等の物理化学的手法を併用することができる。また硫化水素等のガスやアジ化物と反応させることによってナノレベルの金属硫化物、金属窒化物等を合成することも可能である。
その後、必要により、ポリマーを完全に除去するため、加熱しても良い。粒子の種類によっては加熱を行うことにより粒子の結晶性が向上するため、望ましい。加熱の手法は電熱による手法、マイクロ波、高周波等が可能である。この際、（Ｂ）の集合体形成と粒子化を同時に行うこともできる。また火炎によりポリマーを燃焼させ、前述の過程を同時に行うことにより、一瞬にして粒子を合成することも可能である。
Examples of the method using a chemical reaction include a method of adding an oxidizing agent or a reducing agent. Examples of the oxidizing agent include hydrogen peroxide and the like. When the oxidizing agent is used, oxide nanoparticles or nanostructures can be synthesized. Examples of the reducing agent include sodium borohydride and potassium permanganate. When the reducing agent is used, for example, metal ions can be reduced to form nano-level metal particles or structures. . In combination with these oxidation or reduction chemical reactions, a physicochemical method such as ultrasound can be used in combination. It is also possible to synthesize nano-level metal sulfides, metal nitrides and the like by reacting with gas such as hydrogen sulfide and azide.
Thereafter, if necessary, heating may be performed to completely remove the polymer. Depending on the type of particles, heating may improve the crystallinity of the particles, which is desirable. As a heating method, an electric heating method, a microwave, a high frequency, or the like can be used. At this time, (B) aggregate formation and particle formation can be performed simultaneously. It is also possible to synthesize particles in an instant by burning the polymer with a flame and simultaneously performing the above-described process.
本発明によって生成される前駆体は、粒子構成成分（Ａ）が金属元素の場合、粒子構成成分（Ａ）の原子がナノレベルで集合した状態となっているので、特に酸化剤や還元剤を予め添加しなくても、加熱によって、ナノ粒子またはナノ構造体を形成することができる。また例えば、酸化物を合成する場合、酸素の存在下で加熱することにより、金属成分を酸化させ、酸化物ナノ粒子またはナノ構造体を合成することができる。また、還元雰囲気下での加熱により金属イオンを還元させることによって金属ナノ粒子または金属ナノ構造体を合成することもできる。また、粒子構成成分（Ａ）を含む化合物として金属錯体を用いた場合、還元雰囲気下での加熱により錯体を分解させることによって金属ナノ粒子または金属ナノ構造体を合成する、あるいは、酸化雰囲気下での加熱により錯体を分解、酸化させることによって酸化物ナノ粒子またはナノ構造体を合成することもできる。 When the particle component (A) is a metal element, the precursor produced by the present invention is in a state in which the atoms of the particle component (A) are aggregated at the nano level. Even if it is not added in advance, nanoparticles or nanostructures can be formed by heating. Further, for example, when an oxide is synthesized, the metal component can be oxidized by heating in the presence of oxygen to synthesize oxide nanoparticles or nanostructures. Alternatively, metal nanoparticles or metal nanostructures can be synthesized by reducing metal ions by heating in a reducing atmosphere. In addition, when a metal complex is used as the compound containing the particle component (A), the metal nanoparticle or the metal nanostructure is synthesized by decomposing the complex by heating in a reducing atmosphere, or in an oxidizing atmosphere. Oxide nanoparticles or nanostructures can also be synthesized by decomposing and oxidizing the complex by heating.
また、粒子構成成分（Ａ）が金属元素の場合、反応性ガスとの接触により、化合物粒子を合成することができる。硫化水素ガスを反応させることにより、硫化物ナノ粒子あるいはナノ構造体を合成することができる例えば、銅のナノ粒子あるいはナノ構造体を硫化水素と反応させると、硫化銅のナノ粒子あるいはナノ構造体が生成する。
さらに、化学反応を利用した場合、ポリマーを完全に除去するのは困難であるが、さらに、加熱することにより余分なポリマーを分解除去し、金属ナノ粒子または金属ナノ構造体を得ることが可能である。加熱温度は特に制限は無いが、例えば単分散粒子を合成する目的の場合、４００℃〜１０００℃の範囲が望ましい。４００℃より低いと、ポリマーが分解せず、また結晶性も低い。合成温度が１０００℃を超えると、粒子の種類にもよるが溶融や焼結を起こし、単分散性が低下する場合がある。
Further, when the particle constituent component (A) is a metal element, compound particles can be synthesized by contact with a reactive gas. By reacting hydrogen sulfide gas, sulfide nanoparticles or nanostructures can be synthesized. For example, when copper nanoparticles or nanostructures are reacted with hydrogen sulfide, copper sulfide nanoparticles or nanostructures can be synthesized. Produces.
Furthermore, when a chemical reaction is used, it is difficult to completely remove the polymer, but it is possible to further decompose and remove excess polymer by heating to obtain metal nanoparticles or metal nanostructures. is there. Although there is no restriction | limiting in particular in heating temperature, For the purpose of synthesize | combining a monodisperse particle, the range of 400 to 1000 degreeC is desirable, for example. When it is lower than 400 ° C., the polymer does not decompose and the crystallinity is low. When the synthesis temperature exceeds 1000 ° C., depending on the type of particles, melting and sintering may occur, and the monodispersity may decrease.
前駆体を形成する工程とこれをナノ粒子化あるいはナノ構造体化する工程は、必ずしも別々で行なう必要はなく、両工程を組み合わせて、ワンステップで行なうことも可能である。また、前駆体はナノ領域に粒子構成成分（Ａ）原子が固定され、周囲をポリマーで覆われるため、比較的高温で加熱しても凝集や融着を起こしにくく、結晶性が高く、かつ分散性の高いナノ粒子あるいはナノ構造体の合成が可能になる。 The step of forming the precursor and the step of forming it into nanoparticles or nanostructures are not necessarily performed separately, and both steps can be combined and performed in one step. In addition, since the precursor (A) atom is fixed in the nano-region of the precursor and the periphery is covered with a polymer, it is difficult to cause aggregation and fusion even when heated at a relatively high temperature, has high crystallinity, and is dispersed. High-performance nanoparticles or nanostructures can be synthesized.
以下に、実施例、比較例を用いて本発明をさらに説明する。
（実施例１）
酢酸パラジウム０．８ｇをエタノール１００ｍｌに溶解し、この溶液に酢酸ビニル（ＶＡｃ）−スチレン（Ｓｔ）ブロック共重合体 ８．７ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にて観察したところ、粒子径２ｎｍの単分散粒子であった。電子線回折の結果、Ｐｄナノ粒子であった。
Hereinafter, the present invention will be further described using examples and comparative examples.
(Example 1)
0.8 g of palladium acetate was dissolved in 100 ml of ethanol, 8.7 g of vinyl acetate (VAc) -styrene (St) block copolymer was mixed and stirred in this solution, dried at 200 ° C., and then heated at 600 ° C. As a result, a black powder was obtained. When the obtained black powder was observed with a transmission electron microscope (TEM), it was monodisperse particles having a particle diameter of 2 nm. As a result of electron diffraction, it was Pd nanoparticles.
（実施例２）
塩化パラジウム０．８ｇをエタノール１００ｍｌに溶解し、この溶液に酢酸ビニル（ＶＡｃ）−スチレン（Ｓｔ）ブロック共重合体 ８．７ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末をＴＥＭにて観察したところ、粒子径２ｎｍの単分散粒子であった。電子線回折の結果、Ｐｄナノ粒子であった。
(Example 2)
0.8 g of palladium chloride was dissolved in 100 ml of ethanol, 8.7 g of vinyl acetate (VAc) -styrene (St) block copolymer was mixed and stirred in this solution, dried at 200 ° C., and then heated at 600 ° C. As a result, a black powder was obtained. When the obtained black powder was observed by TEM, it was monodisperse particles having a particle diameter of 2 nm. As a result of electron diffraction, it was Pd nanoparticles.
（実施例３）
塩化パラジウム０．８ｇを超純水１００ｍｌに加熱溶解し、この溶液にＮ−ビニルピロリドン（ＮＶＰ）−スチレン（Ｓｔ）ブロック共重合体５．０ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末をＴＥＭにて観察したところ、粒子径２５０ｎｍの、粒子径がほぼそろった球状体の粒子であった。電子線回折の結果、Ｐｄであった。
(Example 3)
After 0.8 g of palladium chloride was dissolved in 100 ml of ultrapure water by heating, 5.0 g of N-vinylpyrrolidone (NVP) -styrene (St) block copolymer was mixed and stirred in this solution, and then dried at 200 ° C. It heated at 600 degreeC and obtained black powder. When the obtained black powder was observed with a TEM, it was a spherical particle having a particle diameter of 250 nm and almost the same particle diameter. As a result of electron beam diffraction, it was Pd.
（実施例４）
塩化パラジウム０．８ｇをエタノール１００ｍｌに溶解し、この溶液にビニルアルコール（ＶＯＨ）−エチレン（Ｅｔ）ブロック共重合体５．４ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末をＴＥＭにて観察したところ、直径５ｎｍ、長さ２００ｎｍの針状粒子であった。電子線回折の結果、Ｐｄであった。
Example 4
0.8 g of palladium chloride was dissolved in 100 ml of ethanol, 5.4 g of vinyl alcohol (VOH) -ethylene (Et) block copolymer was mixed and stirred in this solution, dried at 200 ° C., and then heated at 600 ° C. As a result, a black powder was obtained. When the obtained black powder was observed with a TEM, it was needle-like particles having a diameter of 5 nm and a length of 200 nm. As a result of electron beam diffraction, it was Pd.
（実施例５）
塩化パラジウム１．１ｇをエタノール９０ｍｌに加熱溶解し、この溶液にビニルアルコール（ＶＯＨ）−エチレン（Ｅｔ）ブロック共重合体４．０ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末をＴＥＭにて観察したところ、直径４ｎｍの網目状構造のナノ構造体であった。電子線回折の結果、Ｐｄであった。
(Example 5)
1.1 g of palladium chloride is dissolved in 90 ml of ethanol by heating, and 4.0 g of vinyl alcohol (VOH) -ethylene (Et) block copolymer is mixed and stirred in this solution, dried at 200 ° C., and then heated at 600 ° C. Thus, a black powder was obtained. When the obtained black powder was observed with a TEM, it was a nanostructure having a network structure with a diameter of 4 nm. As a result of electron beam diffraction, it was Pd.
（実施例６）
エチレングリコール１２４１ｇ、クエン酸１２６１ｇを混合し、酢酸バリウム、酢酸ストロンチウム、チタネートイソプロポキシドをそれぞれ、Ｂａ０．５０モル、Ｓｒ０．５０モル、Ｔｉ１．００モルとなるように量り取り、窒素雰囲気下で混合した後、２００°で３時間反応させた。その後、室温まで放冷し、Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉの３金属元素を含有する高分子金属錯体溶液を調製した。
Ｎ−ビニルピロリドン（ＮＶＰ）−スチレン（Ｓｔ）ブロック共重合体１００ｇを上記で得た高分子金属錯体溶液２６．５ｇおよびエチルアルコール２００ｇと混合、室温で１時間攪拌することにより、上記共重合体と上記高分子金属錯体が溶解した溶液（Ｘ）を調製した。
この溶液（Ｘ）を真空乾燥機にて１５０℃で２時間乾燥し、得られた高分子金属錯体乾燥粉末を環状炉にて１０００℃、酸素供給下で３時間加熱し、チタン酸バリウムストロンチウムナノ粒子を得た。
得られたチタン酸バリウムストロンチウムナノ粒子は立方体状で平均粒径が２０ｎｍであった。得られた粒子をＩＰＣにて元素分析を行ったところ、Ｂａ元素とＳｒ元素とＴｉ元素の比は、０．５０：０．５０：１．００であった。
(Example 6)
1241 g of ethylene glycol and 1261 g of citric acid are mixed, and barium acetate, strontium acetate, and titanate isopropoxide are weighed to make Ba0.50 mol, Sr0.50 mol, and Ti1.00 mol, respectively, and mixed in a nitrogen atmosphere. And then reacted at 200 ° for 3 hours. Thereafter, the mixture was allowed to cool to room temperature to prepare a polymer metal complex solution containing three metal elements of Ba, Sr, and Ti.
100 g of N-vinylpyrrolidone (NVP) -styrene (St) block copolymer was mixed with 26.5 g of the polymer metal complex solution obtained above and 200 g of ethyl alcohol, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. And a solution (X) in which the polymer metal complex was dissolved.
This solution (X) was dried at 150 ° C. for 2 hours in a vacuum dryer, and the obtained polymer metal complex dry powder was heated in a ring furnace at 1000 ° C. for 3 hours under oxygen supply, to obtain barium strontium nanocrystals Particles were obtained.
The obtained barium strontium titanate nanoparticles had a cubic shape and an average particle diameter of 20 nm. When the obtained particles were subjected to elemental analysis by IPC, the ratio of Ba element, Sr element and Ti element was 0.50: 0.50: 1.00.
（比較例１）
塩化パラジウム０．８ｇを超純水１００ｍｌに加熱溶解し、この溶液にポリ酢酸ビニル５．０ｇを混合、攪拌した後、２００℃で乾燥後、６００℃で加熱して、黒色粉末を得た。得られた黒色粉末をＴＥＭにて観察したところ、いびつな形状の球状体等を含み粒径のバラツキの多い凝集体であった。電子線回折の結果、Ｐｄ粒子凝集体であった。
(Comparative Example 1)
0.8 g of palladium chloride was dissolved by heating in 100 ml of ultrapure water, and 5.0 g of polyvinyl acetate was mixed and stirred in this solution, dried at 200 ° C., and then heated at 600 ° C. to obtain a black powder. When the obtained black powder was observed with a TEM, it was an aggregate containing irregular shaped spherical bodies and the like and having a large variation in particle diameter. As a result of electron diffraction, it was a Pd particle aggregate.
以上の結果をまとめて表１に示す。 The above results are summarized in Table 1.
表１から、均一組成の重合体を用いたため、重合体の特定部分での粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の濃度を高めることができなかった比較例１では、ナノ粒子が凝集した凝集体となって、単分散ナノ粒子もナノ構造体も得られなかった。これに対して、粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物に対し親和性のある部分（Ｃ）と粒子構成成分（Ａ）または粒子構成成分（Ａ）を含む化合物に対し親和性のない部分（Ｄ）からなる共重合体（Ｂ）を用い、共重合体の特定部分近傍における粒子構成成分（Ａ）を含む化合物の濃度を高めた実施例１〜５では、単分散ナノ粒子やナノ構造体が得られていることがわかる。 From Table 1, since a polymer having a uniform composition was used, in Comparative Example 1 in which the concentration of the compound containing the particle constituent component (A) in a specific portion of the polymer could not be increased, an aggregate in which nanoparticles were aggregated Thus, neither monodisperse nanoparticles nor nanostructures were obtained. On the other hand, for the compound containing the particle component (A) or the particle component (A) and the compound containing the particle component (A) or the particle component (A) and the portion (C) having an affinity for the compound containing the particle component (A). In Examples 1 to 5 where the concentration of the compound containing the particle constituent component (A) in the vicinity of the specific part of the copolymer was increased using the copolymer (B) composed of the non-affinity part (D), the monodispersion It can be seen that nanoparticles and nanostructures are obtained.
以上述べたように、本発明のナノ粒子及びナノ構造体の製造方法によれば、粒子構成成分（Ａ）と共重合体（Ｂ）とを共通の溶媒中に存在させて、共重合体（Ｂ）の特定部分近傍での濃度を高めた後、溶媒を蒸発させ、ナノ粒子またはナノ構造体の前駆体を得、化学反応または加熱によりナノ粒子化、またはナノ構造体化するという簡便な方法で、形状、サイズのそろった、均一な組成のナノ粒子、ナノ構造体を得ることができる。 As described above, according to the method for producing nanoparticles and nanostructures of the present invention, the particle component (A) and the copolymer (B) are present in a common solvent, and the copolymer ( A simple method of evaporating the solvent in the vicinity of a specific portion of B), evaporating the solvent, obtaining nanoparticles or nanostructure precursors, and forming nanoparticles or nanostructures by chemical reaction or heating Thus, it is possible to obtain nanoparticles and nanostructures having a uniform composition and a uniform composition.
本発明のナノ粒子、ナノ構造体は、各種の機能材料につながるものとして近年開発が進められているナノ複合材料の要素技術として重要である。
The nanoparticles and nanostructures of the present invention are important as elemental technologies for nanocomposite materials that have been developed in recent years as being linked to various functional materials.
Claims (6)
The method for producing a nanoparticle or nanostructure according to any one of claims 1 to 5, wherein the particle component (A) or the compound containing the particle component (A) contains a plurality of metal elements. .
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