ナノフィルム
ナノメートルスケールの厚さの物質の層

ナノフィルムは、厚さ1ナノメートルから100ナノメートルの薄膜です。これらの材料は、量子挙動と表面効果に大きく影響される独自の化学的・物理的特性を示します。表面エネルギーが低く、摩擦係数が低く、選択性が高いことから、太陽エネルギー、医療、食品包装など、様々な産業で活用されています。ナノフィルムの特性は、その化学組成と分子構造に大きく依存します。 [1] [2] [3] [4] [5]

ナノフィルムは、走査型電子顕微鏡（SEM）、X線回折（XRD）、透過型電子顕微鏡（TEM）、エネルギー分散型X線分析（EDX）、ラマン分光法、UV-Vis吸収分光法など、さまざまな機器技術を使用して特性評価されます。[2] [4] [6]

ナノフィルム市場は経済的に非常に重要な位置を占めており、市場規模は20億6,000万ドルに達し、2027年までに70億9,000万ドルに成長すると予測されています。この成長は主に技術応用によって牽引されています。世界のナノフィルム市場をリードする企業には、Nano Therapeutics Pvt. Ltd.、Nanofilm、Cosmo Films Limited、Smart Source Technologies、Nano Foam Technology Private Limited、Advanced Thin Film、MetaTechnicaなどが挙げられます。[3]

合成

ナノフィルムを合成するためにさまざまな方法が採用されており、選択された技術はフィルムの物理化学的特性、ひいては用途に直接影響を及ぼします。

LBLアセンブリ

レイヤーバイレイヤー（LbL）アセンブリは、そのシンプルさ、汎用性、そして膜特性の精密な制御性から、ナノフィルム合成において最も広く用いられている手法です。さらに、LBLは、平面基板と粒子状基板の両方にコーティング可能な材料の幅広い選択肢を提供します。ポリマー、有機分子、無機分子、生体分子など、様々な分子を用いて、所望の機能を実現できます。一般的に、LbLアセンブリでは、荷電物質を基板に吸着させ、続いて反対の荷電物質を最初の層の上に堆積させることで、二重膜を形成します。基板の形状、サイズ、多孔性は大きく異なり、表面、繊維、粒子、膜などが含まれます。LbLアセンブリには主に5つの手法があります。[2] [7]

図 1: 基板タイプ、層材料、および最終層構造を強調した、5 つの主要な LbL アセンブリ方法の概要。

浸漬法またはディップ法

この方法では、基板を所望の組成の溶液に手作業で浸漬し、洗浄と遠心分離を行って層を堆積させます。このプロセスを繰り返すことで、所望の厚さと特性を得ることができます。場合によっては、基板を除去して自立型のフィルムを作成することもできます。層状材料には、ポリマー、コロイド、帯電ポリマーなどがあります。得られたフィルムは、層が相互浸透した粗い膜となります。浸漬法は効果的ですが、大量の材料を必要とするため、産業用途では廃棄物管理が課題となります。労働集約的な工程の自動化や、水晶振動子マイクロバランスを用いたリアルタイムモニタリングによるコンピューター監視によるフィードバックループの実現といった革新が、効率向上のために検討されています。[2] [8]

図2：浸漬法とスピン法によるLbLアセンブリ法の比較。上図に示すように、浸漬法では粗く相互浸透した膜が生成され、スピン法では滑らかで層状の膜が生成されます。

スピン法

スピン法は、回転する基板上に材料を堆積させる方法です。スピンコーターの固有の限界のため、この方法は一般的に平坦な基板に用いられます。この方法はポリマーやコロイドにも適用できます。浸漬型LbL法と比較して、スピンコーティングは迅速な組み立てと膜の組織化の向上を実現します。得られる膜は滑らかで層状であるため、光学コーティング、透明フィルム、LED用途に最適です。[8]

スプレー法

エアロゾル化されたポリマー溶液を基板に噴霧するため、この方法は効率的で、非平面表面に適しています。この方法は体系的で迅速であり、様々な形態に適応できます。そのスピードと汎用性により、スプレーコーティングは特に工業規模の生産に適しています。[8]

電磁気的方法

この技術は、電界または磁界を用いて基板上にナノフィルムを堆積させ、高密度かつ厚い膜を形成する。電磁LbL法には、主に電着法、磁気法、電気固定法の3種類がある。この方法は、ポリマー、コロイド、荷電ポリマーに適用できる。[8] [9]

フィルムの厚さは、組み立て時に使用される電圧に直接関係しており、最適な電圧はポリマー溶液のpH値に依存します。電圧が高いと、電極が先に堆積した層を反発するため、フィルムの脱離が起こりやすく、結果として得られるフィルムは、浸漬法で作製されたフィルムよりも相互浸透が強くなる傾向があります。一般的に、電磁気法で作製されたフィルムは、他のLbL法で作製されたフィルムよりも厚く、密度が高くなります。さらに、この技術には特殊な装置と専門知識が必要です。[8]

流体組立法

この方法は、圧力駆動または真空駆動のチャネルを用いることで、毛細管内部など、通常はアクセスが困難な表面へのナノフィルムの堆積を可能にします。流体アセンブリは主にポリマーに用いられますが、コロイドにも適用可能です。[8]

その他の方法

電界紡糸

図 3: 電界紡糸技術と、その調整可能なパラメータ (溶液組成、針の構成、コレクター変数) を示す画像。

電界紡糸法は、外部電界を利用して、電極として機能するプレート上にナノファイバーを集束させる方法です。使用するポリマー溶液または溶融物を調整することで、フィルム表面に特定の機能性や形態を与えることができます。電界紡糸法は、超薄型で高多孔性のフィルムの製造を可能にし、合成ポリマー材料と天然ポリマー材料の両方を用いて作製できます。[7] [10]

日常生活動作

原子層堆積（ALD）は、高いコンフォーマリティと正確な厚さ制御を備えた膜を製造するために使用される気相成膜技術です。このプロセスは、自己制御的な表面反応を利用しており、各サイクルで堆積される単分子層は1層のみです。これは、基板と反応するガス状前駆体を連続的に交互にパルス状に供給することで実現されます。個々のガス表面反応、つまり半反応の後、不活性ガスパージによって副生成物を除去し、その後、反反応物質を導入します。このサイクルは、所望の膜厚に達するまで繰り返されます。ALDは汎用性が高く、金属、絶縁体、結晶および非晶質の半導体など、幅広い材料の堆積を可能にします。材料の生成に一般的に使用される元素は、酸化物、窒化物、硫化物です。ALDは、太陽光発電、燃料電池、半導体製造に広く応用されています。[11]

熱蒸発

熱蒸着法は、物理蒸着法（PVD）の一種で、真空チャンバー内で熱源を用いて固体材料（通常は棒状または線状）を気化させます。生成された蒸気は真空中を熱輸送され、基板上に凝縮して薄膜を形成します。熱蒸着法の利点は、膜厚の制御と均一で再現性の高いコーティングにあります。また、この方法は汚染が最小限に抑えられ、簡便性、汎用性、そして費用対効果に優れています。金属、合金、有機化合物など、幅広い材料を蒸着できるため、半導体産業、光学、太陽光発電、有機ELディスプレイ、センサーなど、多様な用途に適しています。[12] [13]

アプリケーション

医学

ナノフィルムは、医療分野において多くの有望な用途を有しており、例えば、医療用インプラント機器のコーティング、組織工学用スキャフォールド、標的薬物送達用コーティング、酸素療法用人工細胞、免疫用人工ウイルスなどが挙げられる[5,8]。ナノフィルムは生体分子に付着し、分子拡散を再現する能力があるため、細胞コーティングは診断や細胞研究に応用することができる。例えば、細胞壁にポリマーとナノ粒子を積層することで、細胞ベースのバイオセンサーを作製することができる。機能性分子を付着させた細胞にポリマーフィルムを塗布することで、標的分子への送達が可能となる[14] 。

図 4: バイオセンサーと分子送達のための層ごとのアセンブリのグラフィック表現。

膜の組成を制御することで、タンパク質に着想を得たポリペプチド膜は人工細胞の開発に活用できる可能性が示唆されています。これらの膜は、グルコースオキシダーゼとヘモグロビンをカプセル化することに成功しています。今後の研究では、ポリペプチド膜を様々な薬剤のカプセル化に応用し、標的への送達と徐放性送達を実現することを目指しています。[9] [14]

カーボンナノチューブは、インプラントにおけるナノフィルム材料の形成に用いられます。これらのフィルムは抗菌剤として作用します。ナノフィルムは、抗生物質やその他の生化学物質を使用せずに病原体を破壊する能力があり、細胞壁を破壊することで作用します。ナノフィルムコーティングは細胞壁に直接接触し、細胞を破壊します。[5]

図5: この画像はカーボンナノチューブの構造を示しています。




太陽

ナノフィルムは、太陽光発電・熱電併給集熱器の効率向上に大きな可能性を秘めています。ハイブリッド太陽光発電・熱電併給集熱器（PV-T）は、熱エネルギーと電気を生成することができ、独立した太陽光発電パネルと比較して、総合的な効率が大幅に向上します。ナノフィルムは光を選択的にフィルタリングし、光スペクトルの特定の部分のみを透過させます。この選択性により、それぞれの太陽電池の特性に合わせて光を吸収または反射することができます。ナノフィルム層でコーティングされたガラス基板が選択反射層を構成します。これにより、最終的に効率が向上します。[15] [16]

図 6: ナノフィルムベースの PV-T コレクターの基本構造の概略図。

熱吸収体によって吸収されるスペクトル分率（G th (λ)）は次の式を使用して計算できます。

G th (λ)=G in (λ)𝜏 n (λ)

一方、PVセルに反射されるスペクトル分率（G pv (λ)）は次の式で計算できます。

G pv (λ)=G in (λ)Ƴ n (λ)

ここで、n（λ）はナノフィルムフィルタの透過率、Ƴn （ λ）はフィルタの反射率、Gin （ λ）は入射スペクトルエネルギー分布である[15]

TiO 2 /SiO 2は、吸収損失を大幅に低減し、カットオフ波長の選択性を高めることができる一般的なナノフィルム積層体です。層厚は10～110 nmの範囲で、フィルムの材質、厚さ、層数を変えることでカットオフ波長を調整できます。[15]

ナノ可食性フィルム

ナノフィルムは、食品表面の可食性包装材として使用することができます。この新たな用途は、褐色化防止、抗酸化作用、抗菌作用を有します。さらに、ナノ可食性フィルムは防湿バリアとして機能するため、プラスチック包装材の使用量を削減します。可食性ポリマーフィルムは、可食性マトリックス内に敷設され、多糖類ベースからタンパク質ベースまで、様々な有機材料から製造できます。[17] [18]

例えば、キトサンベースのナノフィルムは、微生物耐性と熟成プロセスの遅延という特徴を備えています。さらに、フィルム自体は無毒で、生分解性があり、生体適合性も備えています。[17] [19]

毒性

ナノフィルムは多くの利点を有する一方で、その毒性と環境への影響に関する懸念は依然として残っています。ナノ粒子の濃度や構造化方法といった実験条件のばらつきにより、その毒性作用のメカニズムは未だ十分に解明されていません。[5]

ナノフィルムの分解性、安全性、環境フットプリントを評価するには、特に産業分野におけるナノフィルムの使用拡大に伴い、更なる研究が必要です。ナノフィルムの安全かつ持続可能な導入を確保するためには、規制枠組みと標準化された毒性試験方法が不可欠です。[20]

参考文献

  1. ^ Gavrylyuk, DV; Mel'nychenko, MM; Zhuk, Ya. O. (2022-09-01). 「ナノフィルム：構造的特徴とナノインデンテーション法」 .国際応用力学. 58 (5): 545– 551. Bibcode :2022IAM....58..545G. doi :10.1007/s10778-023-01186-1. ISSN  1573-8582.
  2. ^ abcd Ma, Weigang; Zhang, Xing (2013-03-01). 「金属ナノフィルムの熱特性、電気特性、熱電特性の研究」 . International Journal of Heat and Mass Transfer . 58 (1): 639– 651. Bibcode :2013IJHMT..58..639M. doi :10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.11.025. ISSN  0017-9310.
  3. ^ ab 「ナノフィルム市場規模は2027年までに70億9000万米ドルに達すると予測｜収益成長はマイクロエレクトロニクス、ストレージ、太陽エネルギー、光学産業におけるナノフィルムの広範な応用によって牽引される、とエマージェン・リサーチは述べている。世界のナノフィルム市場で活動する主要企業には、Nano Therapeutics Pvt. Ltd、Nanofilm、Cosmo Films Limited、Smart Source Technologies、Nano Foam Technology Private Limited、Advanced Thin Film、MetaTechnica、NanoGram Corporation、Maxtek Technology、Nano Labs、Cosmo Films Ltd.、MetaTechnicaなどが含まれる」。NASDAQ OMXニュースリリース配信チャンネル。2021年6月15日。
  4. ^ ab Sarangi, Abhishek; Bano, Sarvaree (2022). 「合成ナノフィルムとその応用に関するレビュー」YMER . 21 (10): 1476– 1484.
  5. ^ abc Van Tassel, Paul R. (2013年12月13日). 「医療におけるナノテクノロジー：ナノフィルム生体材料」.イェール大学生物学医学ジャーナル. 86 (4). 国立医学図書館: 527–536 . PMC 3848108. PMID  24348217 . 
  6. ^ Kaya, Erdal; Coşkun*, Burhan (2023-06-29). 「薄膜およびナノ構造の基礎化学特性評価技術の概要」. Journal of Materials and Electronic Devices . 2 (1): 33– 38. ISSN  2587-0424.
  7. ^ ab Hu, Jinlian (2011). 「第7章：適応型ポリマーナノファイバーとナノフィルム」.適応型・機能性ポリマー、繊維およびその応用. シンガポール: World Scientific. pp.  215– 251. ISBN 978-1-84816-475-8。{{cite book}}: CS1 maint: 発行者の所在地 (リンク)
  8. ^ abcdef Richardson, Joseph J.; Björnmalm, Mattias; Caruso, Frank (2015-04-24). 「テクノロジー主導のナノフィルムの層別構築」 . Science . 348 (6233) aaa2491. doi :10.1126/science.aaa2491. hdl : 11343/90861 . PMID  25908826.
  9. ^ ab Haynie, Donald T.; Zhang, Ling; Zhao, Wanhua; Rudra, Jai S. (2006-09-01). 「タンパク質に着想を得た多層ナノフィルム：科学、技術、そして医学」 . Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine . 2 (3): 150– 157. doi :10.1016/j.nano.2006.07.008. ISSN  1549-9634. PMID  17292137.
  10. ^ 趙、世超。ヤン、リリ。天、暁東。リュウ・イェクン。チェン、チャオキュウ。リー・ユンチン。張建康。ソン、ヤン。秦永 (2018-01-01)。「マイクロ波吸収性能を高めるため、原子層堆積によってカーボンナノファイバー上にコーティングされた傾斜多層ナノフィルムの柔軟な設計」。ナノリサーチ。11 (1): 530–541。土井:10.1007/s12274-017-1664-6。ISSN  1998-0000。
  11. ^ Johnson, Richard W.; Hultqvist, Adam; Bent, Stacey F. (2014-06-01). 「原子層堆積の簡潔なレビュー：基礎から応用まで」. Materials Today . 17 (5): 236– 246. doi : 10.1016/j.mattod.2014.04.026 . ISSN  1369-7021.
  12. ^ Lumley, Bob (2023年10月10日). 「薄膜技術における熱蒸着法入門」RD Mathis . 2025年2月25日閲覧。
  13. ^ Sohail, Muhammad Tahir; Wang, Mingyuan; Shareef, Maria; Yan, Peiguang (2024-03-01). 「金属ベースナノマテリアルによる超高速フォトニクス：製造、統合、応用、そして将来展望」 . Infrared Physics & Technology . 137 105127. Bibcode :2024InPhT.13705127S. doi :10.1016/j.infrared.2024.105127. ISSN  1350-4495.
  14. ^ ab Choi, Yonghyun; Phan, Binh; Tanaka, Masayoshi; Hong, Jinkee; Choi, Jonghoon (2020-10-19). 「個々の細胞に対する生体分子表面コーティングの方法と応用」 . ACS Applied Bio Materials . 3 (10): 6556– 6570. doi :10.1021/acsabm.0c00867. PMID  35019386.
  15. ^ abc Huang, Gan; Curt, Sara Riera; Wang, Kai; Markides, Christos N. (2020-09-01). 「高性能ハイブリッド太陽光発電・熱利用におけるスペクトル分割におけるナノ材料の課題と機会：レビュー」. Nano Materials Science . エネルギー変換・貯蔵のためのナノ構造材料特集号. 2 (3): 183– 203. doi :10.1016/j.nanoms.2020.03.008. hdl : 10044/1/88125 . ISSN  2589-9651.
  16. ^ ギルマン、ボリス、アルトマン、イゴール (2011). 「太陽光発電およびエネルギー貯蔵用途における勾配多層（GML）ナノフィルムの形成」 MRS Proceedings . 1323. doi : 10.1557/opl.2011.1025. ISSN  0272-9172.
  17. ^ ab Jeevahan, Jeya; Chandrasekaran, M. (2019-10-01). 「食品包装用ナノエディブルフィルム：レビュー」 . Journal of Materials Science . 54 (19): 12290– 12318. Bibcode :2019JMatS..5412290J. doi :10.1007/s10853-019-03742-y. ISSN  1573-4803.
  18. ^ アナム、マトローブ;アユーブ、ハッダ。モーシン、ムハンマド。アンブリーン、サーディア。カーン、ファイマ・アッタ。オラナブ、サダフ。ラヒム、ムハンマド・アブドゥル。ハリド、ワシーム。ナイク、グルザール・アハマド。ラムニワス、シーマ。エルチスリ、セザイ（2023-08-15）。 「食用コーティングおよびフィルムに関するレビュー: 進歩、組成、製造方法、および安全性への懸念」。ACSオメガ。8 (32): 28932–28944。土井:10.1021/acsomega.3c03459。PMC 10433350。PMID  37599927。 
  19. ^ Maluin, Farhatun Najat (2024-11-18). 「持続可能で安全な機能性食品包装のための農業廃棄物充填剤を用いたキトサンナノフィルムの強化」 ACS農業科学技術. 4 (11): 1136– 1162. doi :10.1021/acsagscitech.4c00398.
  20. ^ RAY, PARESH CHANDRA; YU, HONGTAO; FU, PETER P. (2009-02-17). 「ナノマテリアルの毒性と環境リスク：課題と将来のニーズ」. Journal of Environmental Science and Health, Part C. 27 ( 1): 1– 35. Bibcode :2009JESHC..27....1R. doi :10.1080/10590500802708267. ISSN  1059-0501. PMC 2844666. PMID 19204862  . 
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ナノフィルム&oldid=1317285483」より取得