利用新型氧化物納米顆粒制成的柔性傳感器原型

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

據麥姆斯咨詢介紹，村田制作所（以下簡稱“村田”）供應的多層陶瓷電容器（MLCC）和無源組件等產品，在全球許多移動電話和電子設備中都可以找到。村田的MLCC——通過臨時存儲多余電荷來調節電壓和電流，從而實現電子設備的穩定功能——目前占全球MLCC總銷量的40%左右。

高端智能手機配備了大約1000個MLCC，而電池和電路小型化的最新進展，意味著MLCC的容量和尺寸現在成為生產更輕、更緊湊型產品的關鍵瓶頸之一。

現在，村田正在開發的新型MLCC或將只有0.25毫米長，這比該公司目前生產的最小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超細顆粒薄膜組成。“我們一直在嘗試開發各種介質納米顆粒的制造方法，以構建多個非常薄的介質層，在一個非常小的封裝中實現高電容。”村田負責納米顆粒制造技術研發的負責人Keigo Suzuki解釋說。然而，他表示，真正的突破在于適合新業務的制造方法。

Suzuki說：“我們開發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。”在該技術中，水解反應在分散在疏水溶劑中的小水滴中進行，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模生產方法來降低成本并提高產量，“我們最終開發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模生產各種高濃度且分散良好的氧化物納米顆粒。”

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。通過鹽的脫水縮合，金屬氧化物形成并聚合，產生形態一致的納米顆粒，它們可以很好地分散在液體介質中形成膠體溶液。

不同氧化物納米顆粒層可以為用于能量轉換的許多技術提供有效的電荷載流子分離

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

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

Otsuka說，該技術在可再生技術領域的潛在用途也很有前景：“這些納米顆粒基于地球上常見的元素，對環境相當友好，將在太陽能電池和電氣元件中展現高性能，以及很強的光催化活性。”

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

生物醫學成像

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

量子效應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能夠發射特定波長的光。該特性可用于標記和成像生物組織，應用于醫學成像。

新型量子點的優勢之一是不含傳統量子點中常見的有毒物質。這種量子點通過商業化規模的制造工藝生產，以可靠地產生具有特定峰值發光波長的顆粒。

“絕大多數商業化的量子點都含有鎘和硒等有害有毒元素。”村田研發團隊成員Norikazu Fujihira解釋稱，“這使得這些量子點難以用于一般產品，更難以用于化學試劑和醫療應用。”

Fujihira及其同事與名古屋大學（Nagoya University）合作，通過結合半導體化合物開發了一種新型量子點產品。重要的是，這些量子點不含鎘、硒、鉛或汞等有毒物質。Fujihira解釋說，這為利用它們標記并對活體組織中的生物過程進行成像打開了大門。

這些量子點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的壽命。

村田開發的新型量子點被證明可用于細胞內和體內成像

村田希望其量子點未來可以被證明對移植細胞的細胞內成像、體內成像以及它們在組織和器官中的富集和整合特別有用。

Fujihira的團隊還成功開發了一種商業規模的制造工藝，以可靠地生產具有特定峰值發光波長的顆粒。他們現在已經將膠體量子點商業化，用作活細胞的熒光標記。

Fujihira表示，雖然它們也可以用于能量轉換以及LED和顯示器等光學設備，但村田的重點一直是生物成像，這方面的需求很大。他補充說，該團隊還通過復雜的配體工程、調整亮度和發光清晰度等手段，不斷改善量子點的發光特性。

可持續解決方案

Suzuki說：“我們認為下一個重大挑戰是如何在日常設備中始終如一地發揮這些材料的潛力。我們預計，由于納米顆粒的高功能性和高效資源利用，它們的開發將變得越來越重要。”

Suzuki特別指出，納米顆粒和量子點有望為可再生能源領域帶來重大影響，降低用于制造太陽能電池的資源影響，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。