基本介紹
- 中文名：核殼
- 外文名：core shell
- 領域：物理學
- 套用：核殼複合結構材料
簡介,製備方法,套用,
簡介
核殼是由一種納米材料通過化學鍵或其他作用力將另一種納米材料包覆起來形成的納米尺度的有序組裝結構。包覆技術通過對核心微粒表面性質進行剪裁，改變核心表面電荷、官能團和反應特性，提高核心的穩定性與分散性。通過摻雜、表面等離子體共振等技術可增強核殼微粒的發光，滿足其在螢光標記等方面的套用。
製備方法
簡單地說，構造核殼結構的策略有兩種：一種是先成核，後包覆殼；另一種是一次性形成核殼結構。與以上合成策略相對應的是兩種常用的納米合金的合成方法：連續還原法（successivereduction）和共還原法（co-reduction），這兩種方法都可以合成核殼結構的雙金屬納米粒子。
1、連續還原法過程是：先將一種金屬鹽還原來形成“晶種”M1（也就是核），再利用一個類似於“晶種生長”的過程，使另一種金屬M2的原子沉積附著在已形成的M1金屬晶種表面，從而形成M1-M2核殼結構。因為連續經歷兩次還原過程，故稱為“連續還原法”，也稱為 “晶種生長過程”，屬於典型的先成核，後包覆殼的策略。近幾年來，連續還原法被廣泛用於合成各種核殼結構的雙金屬納米材料。
2、共還原法也稱為同時還原法，即體系中同時存在兩種金屬鹽前驅體，還原過程中氧化還原電勢更高的金屬物種首先沉積成核，而電勢低的金屬後還原，在其表面沉積成殼，從而形成核殼結構。這是典型的一次性形成核殼結構的策略。共還原時金屬的沉積順序可以通過添加特定絡合劑（表面活性劑）而改變。例如，由於Pd還原電勢更高，Ag和Pd共還原時一般形成Pd-Ag粒子，而加入氨水後，因為NH3與Pd絡合作用更強，故形成反向的Ag-Pd粒子。由於一定程度上受金屬固有性質的限制，共還原法合成核殼納米合金有適用條件，使用上不及連續還原法廣泛。Harpeness和Gedanken利用乙二醇作溶劑和還原劑，以微波輔助加熱回流，同時還原液相Au3+和Pd2+，成功合成了Au-Pd核殼納米粒子。
3、其他輔助手段：另外，還有微乳液合成法、溶劑化金屬原子分散（SMAD）等。總的來說，液相化學還原是一個複雜的反應體系，涉及眾多因素（溫度、pH值、溶劑、金屬前驅體、還原劑、絡合劑/保護劑的種類及雜質離子等），任何因素的變化都對產物造成一定程度影響，如粒子的平均尺寸、形貌、分散度等。一些學者在認識合成條件的影響方面已經做了許多有益的工作。金屬本身的固有屬性是影響雙金屬納米粒子形成（尤其是微結構）的重要因素。在制定合成方案時，需要綜合考慮各種影響因素才能獲得預想的結果。
套用
1、生物醫學
核殼結構納米粒子已經在生物醫學領域的諸多方面實現了套用，具有很多潛在的套用價值。在生物醫學領域，核殼結構納米粒子主要被用於控制藥物運輸、生物體成像、細胞標記、生物感測器以及再生醫學等方面。近年來，隨著藥物控制釋放技術的日臻成熟，藥物運輸技術也得到了極大的發展，傳統非控制性藥物治療的現狀有望得到改變。然而，這項技術的發展極大程度上得益於納米科技水平的提高。藥物運輸技術已經可以實現將藥物運送到人體內特定部位，若能在藥物定向運輸技術的基礎上集成藥物控制釋放技術，將對現代醫學發展產生深遠影響。為了達到將兩者結合的目的，需要進一步研究藥物的性質，如：溶解性、體內穩定性、藥物代謝、生物體分布等等。如果使用對靶組織具有藥物選擇性的納米粒子作為載體，藥物療效將會得到提高。在定向運輸過程中，藥物最開始被裝載在多孔的納米粒子內，這種納米粒子表面具有特殊的包覆層用於選擇吸附到特定的細胞表面。隨後，為了在到達靶細胞後釋放其裝載的藥物，納米載體或者分解，或者在化學作用下打開其多孔通道。這個過程可以受熱、光或者體內特定化學環境（如 PH 值、離子濃度）激發而進行。藥物定向運輸有兩種實現途徑：主動方式與被動方式。主動方式藥物運輸中，特定的配體被連線到裝有藥物的納米顆粒的表面，這些納米顆粒將被選擇性地吸附到受體靶細胞上。例如，由於癌細胞上有葉酸受體，葉酸和氨甲葉酸會選擇性地吸附到癌細胞上。在被動方式中，裝有藥物的納米粒子由於經過表面改性處理，會在物理化學或藥理學因素的作用下選擇性地聚集到靶細胞。例如，以具有生物相容性的Si為殼層，以磁性或超順磁性元素為核的納米粒子具有很好的生物相容性，它被用來控制藥物在活體細胞中的運輸。在生物成像技術上，不同類型的分子成像技術已經在生物體內外獲得了廣泛的套用，如：光學成像、磁共振成像、超聲成像、正電子放射斷層造影等。其中光學成像和磁共振成像技術是被普遍接受的兩種技術，它們分別利用了納米粒子的體內冷發光和磁學特性。通常，量子點和摻入染料的量子點被用於光學成像，量子點具有光化學及代謝穩定性，亮度高等特點。但是它們存在光致氧化、易中毒以及低水溶性等缺點。這些不利因素可以通過在其表面包覆合適的殼層材料而減小或消除，從而使得這些核殼結構納米粒子可以直接用於生物體光學成像。類似的方法還被用於磁共振成像技術。由於核殼結構磁性納米粒子具有更好地自旋晶格弛豫時間，Fe、Co、Ni及其超順磁氧化物的納米粒子常被用來與特定的殼層結合以增加磁共振成像中的對比度。這些核殼結構的納米粒子還具有藥物選擇釋放能力與磁存儲能力。在生物體套用中，納米粒子還可被用於探測損壞的細胞、DNA、RNA、膽固醇等。以磁性材料為核，螢光材料、二氧化矽、金屬或高分子等為殼的納米粒子就具備這種探測功能。例如，Si包覆的ZnS/Mn納米粒子可以用來探測Cu2+離子；Au/Ag核殼結構納米粒子被用來探測體內腫瘤細胞。這項技術的主要瓶頸是需要將納米粒子與抗體結合以選擇性地作用於目標分子。聚合物核殼結構納米粒子通常被用作移植材料。它們既可以是聚合物/聚合物核殼結構也可以是聚合物/金屬核殼結構。這些材料常備用來製作牙齒和關節。超高分子量的聚乙烯與Ag合成的此類材料就被用做關節的替代材料。用這類核殼結構納米材料來修復關節具有耐腐蝕、強度高、耐磨損等諸多優點。
2、催化
包覆了貴金屬、半導體等功能殼層的磁性納米粒子往往具有比單元金屬納米粒子更好地物理性能（光學、催化活性、電學、磁學及熱學性能）。例如，MgO、CaO 等納米氧化物材料對鹵代烴和有機磷化物有很強的吸附能力，而若在其表面包覆Fe2O3等過渡金屬氧化物層則可將吸附能力提高若干倍。類似的例子還有，在Au納米粒子的表面包覆Fe2O3可以將Au對CO→CO2轉變的催化能力顯著提高。近年來，雙元金屬核殼結構納米粒子中不同組分間的協同效應受到了越來越多的關注，諸如針對Au/Pt、Au/Ni、Au/Co等核殼結構納米粒子催化活性的研究。在這種協同效應的作用下，核殼結構納米粒子的催化性能得到了極大的提高。核殼結構的納米材料還被套用於光催化領域。研究表明，將TiO2納米結構沉積到某些金屬納米顆粒表面，在紫外光的激發下，可以提高電子的躍遷率。在光催化反應過程中，貴金屬的腐蝕和溶解限制了光催化的發展。為了克服這個缺點，科學家用one-pot的方法合成了Ag/TiO2核殼納米結構，結果表明，對TiO2殼層的光激發使得電子在Ag核聚集，這些電子在遇到O2、C60 等受體時就會釋放出來。這種金屬核-半導體殼複合結構能很好地促進光誘導電子遷移反應並防止貴金屬的損耗。
3、巨磁阻感應
巨磁阻感應技術是納米技術領域的首批實際套用之一，其發現者Drs Fert和Grunberg於2007年獲得諾貝爾物理學獎的殊榮。得益於這項技術，我們可以在更小的磁存儲器中儲存海量檔案。巨磁阻效應（GMR），是指磁性材料的電阻率在有無外磁場作用時存在巨大差異的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生於層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替構成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最弱，材料的電阻最小。當鐵磁層的磁矩為反平行時，載流子與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。近年來，核殼結構磁性納米材料被發現在巨磁阻感應技術中有廣闊的套用前景，其磁阻可隨溫度、粒子尺寸、核的大小以及小層厚度不同而改變，這使得核殼結構納米材料在GMR技術中有著巨大的發揮空間。
