[发明专利]用于生产均匀尺寸的纳米颗粒的方法和设备

说明书

本发明公开一种用于从固体目标生产尺寸均匀的球形纳米颗粒的设备和工艺。固体目标表面被消融，以产生包含脱离所述表面的纳米颗粒的喷射物事件。消融可由激光或放电导致。至少一个电磁场设置到正在被消融的固体目标表面的前方。电磁场在所述纳米颗粒脱离固体目标的表面并穿过所述至少一个电磁场时操纵所述纳米颗粒的至少一部分，以增加所述纳米颗粒的尺寸和形状均匀性。被操纵的纳米颗粒被收集。

本申请为申请号201280042392.7、申请日为2012年6月29日、发明名称为“用于生产均匀尺寸的纳米颗粒的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于制备各种形状的均匀尺寸的纳米颗粒的新颖的工艺和设备。由于能够生产均匀尺寸的纳米颗粒，这些颗粒在液体溶液中显示独特的特性，因为它们能够保持悬浮在溶液中而无需表面活性剂或其他稳定剂。

背景技术

过去二十年间的努力基本上都致力于创建和研究什么是通常所谓的纳米颗粒，尽管事实上已经存在了描述什么是所谓的纳米颗粒的各种定义。在最宽泛的定义下，测量尺寸小于100纳米(nm)(或100x l0^-9m)的颗粒都可以被定义为“纳米颗粒”，当然事实上该颗粒的其他尺寸可能非常大。即使颗粒的每个尺寸测量值都小于100nm，纳米颗粒的命名也不能提供涉及颗粒形状或其基本性质的信息，而这些形状和特性可能与制造该纳米颗粒的固体材料的形状和特性相同或不相同。此外，在纳米颗粒这一术语的广泛使用之前，非常小的颗粒，其中有些可能符合纳米颗粒的标准定义的颗粒通常被称为胶体，这通常仅仅意味着它们足够小以呈现出布朗运动，然而该效果是由颗粒尺寸导致的还是由诸如表面张力等其他特性导致的则很少被说明。

当今，符合一种或多种传统定义的纳米颗粒被用在多种工业、医学或消费品中，并且关于它们的性质和生产方法的关注与日俱增。

用于制造所谓纳米颗粒的各种工艺在本领域中是已知的。例如，授权给Becker等人的第5,585,020号美国专利教导了一种形成被称为窄尺寸分布的纳米颗粒(例如，颗粒具有73nm的平均直径并具有23nm的标准差)的方法。该方法在惰性气体或真空系统内使用激光消融小于100微米的初始直径目标颗粒。

第7,374,730号美国专利教导了一种在有机液体媒介中形成纳米颗粒的方法并认识到需要使用诸如表面活性剂或涂层剂或能够阻止纳米颗粒聚结或阻止纳米颗粒生长为更大的实体的其他碳水化合物材料。

第7,662,731号美国专利认识到需要在激光溅射/消融过程中防止氧化，但它是在超流态氦中执行消融来解决该问题的。

皮秒消融提供了更短的脉冲，能够减少离子形成的时间并允许方法控制尺寸，尽管皮秒消融的功率输出通常非常小，限制了用相对小的消融材料羽流(plumes)生产的材料的量。

纳米颗粒的形状也是重要的特性并且在确定纳米颗粒如何动作、相互作用、或被作用时也是必要特性。就它们的均匀形状和可重复的特性而言，球形颗粒是理想的。

某些纳米颗粒可通过化学还原方法成长为球形(例如硅石)，而从其他起始材料生产球形纳米颗粒通常经历两个步骤。典型地，纳米颗粒的通过类似的化学还原方法从非硅石的起始材料的生长产生诸如面体(hedrons)、晶片、棒的非球形的形状和其他非球形形状。虽然这些方法提供了良好的尺寸控制，所产生的非球形形状在它们变为球形形状之前需要进一步处理。一旦具体形状的纳米颗粒被制造出来，激光消融被用于主动地将它们研磨成类球形和/或球形形状。该工艺产生可被称为废料的从最初的非球形颗粒上敲落的材料，并且在很多情况下，该废料缺少在运载介质中被粘合的核内结合能，从而导致离子的产生。球形颗粒随后被过滤以移除离子和不需要的废料。尽管可通过该方法实现理想的球形纳米颗粒，但消融领域的尺寸和前体材料的分批生产限制了该工艺的生产能力。

由于近来的纳米材料技术和研究的发展，以及对与特定纳米材料有关的独特特性的认识，纳米材料特性的标准化在持续发展。在本申请中，术语“纳米材料”将用于表示最大尺寸小于100nm的任意形状的颗粒。