氩气发生装置

尽管纳米颗粒这一概念提出仅有几十年，但其实已经有几千年的应用历史了。早在1600年前，古罗马工匠便掌握了与现代纳米技术类似的工艺，代表作品便是著名的卢奇格斯杯(Lycurgus cup)，它由双色玻璃制成，将金、银纳米粒分散其中，能够随着光照角度的变化呈现不同的颜色。

此后，研究人员对纳米粒子的研究获得了极大的进展。由于纳米立方体在气体传感器和生物传感器方面的潜在应用，其受到了广泛的关注。纳米粒一般通过化学法或物理法制备，不过物理法由于没有化学法中的有机污染物，而更具优势。

然而，使用现有的物理技术难以大量生产尺寸均匀的纳米管。近日，冲绳研究所(OIST)研究生院设计部门的纳米粒子研究员发现了解决该问题的新方法，相关研究成果发表在最新的Advanced Functional Material期刊上。

“铁纳米颗粒的最低能量结构并非立方体形状，因此，我们不能通过热力学平衡来实现这种纳米立方体的自动生成，”论文的第一作者Jerome Vernieres博士表示。

相反，OIST的研究人员在Mukhles Sowwan教授指导下，利用磁控溅射惰性气体冷凝的方法制备铁纳米立方体。在该技术中，氩气首先被加热并转化成电离等离子体。

然后，在目标材料（通常是铁）组成的靶材后面放置磁铁，控制等离子体的形状，并保证氩离子轰击靶材，因此称之为“磁控管”。靶材表面的铁原子在撞击下脱离而飞溅出来，并与氩离子相互碰撞，形成纳米颗粒。

通过操纵磁场精确控制等离子体可以产生尺寸均匀的纳米立方体。

OIST的Stephan Steinhauer博士表示：“均匀性是实现传感器应用的关键。我们需要特殊的技术控制生产过程中纳米立方体的尺度、形状和数量。”

为了控制这些立方体的尺度和形状，研究人员根据“铁本身就有磁性”这个简单又十分重要的现象发明了一种改变磁控管磁场的新方法——通过目标本身的固有磁性来调节磁场。

运用这种方法，研究人员可以控制生长颗粒的等离子体及纳米立方体的尺寸。Vernieres 表示：“这是首次使用可以大规模生产的物理方法制备均匀的铁纳米立方体。”

为了更好地理解这种方法背后的机制，OIST团队联合赫尔辛基(University of Helsinki)大学的研究人员进行了模拟。“这项研究主要依赖实验方法和理论计算，模拟对解释所观察到的现象来说至关重要，”Panagiotis Grammatikopoulos博士解释道。

在成功制备了尺寸均匀的纳米立方体之后，研究人员接下来准备将其应用于传感器。Stephan Steinhauer 博士表示：“我们注意到，这些立方体对NO?气体十分敏感。NO?气体的监测可以用于很多场景，包括诊断哮喘患者，以及监测环境污染等。因此，可以看到这项技术有广阔的应用前景。”

该示意图展示了使用磁控溅射惰性气体冷凝法制备铁纳米立方体的过程及其在NO?传感器中的应用

OIST设计部门与图卢兹大学(Université de Toulouse)的研究人员合作制造了NO?传感器的原型设备，可以测量暴露在NO?气体中的铁纳米立方体的电阻的变化。由于极少量的NO?气体就可以造成电阻显著的变化，而其他大气污染物则不会，因此，这种铁纳米立方体传感器灵敏度很高。

设计单位的纳米粒子研究人员与图卢兹大学的研究人员合作，然后构建了一个原型NO?传感器，测量铁纳米管电阻的变化，因为暴露于NO?气体。 因为暴露于甚至非常少量的NO?可产生显着大于其它大气污染物的电阻的可测量变化，所以基于铁纳米管的传感器是非常特异性的和敏感的。