村田开发新型纳米颗粒和量子点,开拓生物医疗应用

原创 MEMS 2022-08-16 00:00

利用新型氧化物纳米颗粒制成的柔性传感器原型

智能手机电容器主要制造商村田(Murata)开发的新型纳米颗粒和量子点,有望将微小的可打印组件和量子级生物标志物带入我们的日常生活。

据麦姆斯咨询介绍,村田制作所(以下简称“村田”)供应的多层陶瓷电容器(MLCC)和无源组件等产品,在全球许多移动电话和电子设备中都可以找到。村田的MLCC——通过临时存储多余电荷来调节电压和电流,从而实现电子设备的稳定功能——目前占全球MLCC总销量的40%左右。

高端智能手机配备了大约1000个MLCC,而电池和电路小型化的最新进展,意味着MLCC的容量和尺寸现在成为生产更轻、更紧凑型产品的关键瓶颈之一。

现在,村田正在开发的新型MLCC或将只有0.25毫米长,这比该公司目前生产的最小MLCC还要小得多。

采用双盐聚合方法制备的氧化物纳米颗粒的扫描电子显微镜图像

溶液中的解决方案

MLCC通常由夹在电极之间的绝缘或介质超细颗粒薄膜组成。“我们一直在尝试开发各种介质纳米颗粒的制造方法,以构建多个非常薄的介质层,在一个非常小的封装中实现高电容。”村田负责纳米颗粒制造技术研发的负责人Keigo Suzuki解释说。然而,他表示,真正的突破在于适合新业务的制造方法。

Suzuki说:“我们开发了一种制造各种功能性氧化物纳米颗粒的方法,使用一种将化合物分散在溶液中的反胶束技术。”在该技术中,水解反应在分散在疏水溶剂中的小水滴中进行,生成的氧化物纳米颗粒在合适的溶液中相互排斥。

采用双盐聚合方法制备的功能性氧化物纳米颗粒的胶体溶液

但Suzuki表示,需要一种更好的大规模生产方法来降低成本并提高产量,“我们最终开发了一种很有前途的制造方法,称为双盐聚合方法,它使我们能够利用低成本材料大规模生产各种高浓度且分散良好的氧化物纳米颗粒。”

双盐聚合方法依赖溶液中两种含金属的双盐之间的相互作用。通过盐的脱水缩合,金属氧化物形成并聚合,产生形态一致的纳米颗粒,它们可以很好地分散在液体介质中形成胶体溶液。

不同氧化物纳米颗粒层可以为用于能量转换的许多技术提供有效的电荷载流子分离

村田开发的这种纳米颗粒与众不同之处在于它们不易团聚。这是由于在生产过程中,纳米颗粒中掺入了短有机配体。这些配体还可以在相对较低的温度下烧结纳米颗粒,从而为油墨和其他可打印应用开辟了可能。烧结是一种通过加热或加压(非熔化)将材料压缩成固体的过程。

“将其应用于可打印和柔性电子产品的潜力特别令人兴奋。”开发双盐聚合方法的Yusuke Otsuka介绍说。这种易于烧结的能力不仅可以生产各种新型器件(如传感器、透明导电膜和光电极),还可以在许多用于能量转换的技术中堆叠不同的纳米颗粒层,以实现有效的电荷载流子分离。

Otsuka说,该技术在可再生技术领域的潜在用途也很有前景:“这些纳米颗粒基于地球上常见的元素,对环境相当友好,将在太阳能电池和电气元件中展现高性能,以及很强的光催化活性。”

村田从事纳米颗粒制造技术研发的Keigo Suzuki、Yusuke Otsuka和Norikazu Fujihira(从左到右),他们研究出大批量生产各种纳米颗粒的方法。

生物医学成像

村田还开发了新型量子点,一种特殊类型的纳米颗粒,具有较大粒子所没有的量子力学、光学和电子特性。

量子效应限制了原子的电子和电子空穴能量,使颗粒在暴露于紫外光时能够发射特定波长的光。该特性可用于标记和成像生物组织,应用于医学成像。

新型量子点的优势之一是不含传统量子点中常见的有毒物质。这种量子点通过商业化规模的制造工艺生产,以可靠地产生具有特定峰值发光波长的颗粒。

“绝大多数商业化的量子点都含有镉和硒等有害有毒元素。”村田研发团队成员Norikazu Fujihira解释称,“这使得这些量子点难以用于一般产品,更难以用于化学试剂和医疗应用。”

Fujihira及其同事与名古屋大学(Nagoya University)合作,通过结合半导体化合物开发了一种新型量子点产品。重要的是,这些量子点不含镉、硒、铅或汞等有毒物质。Fujihira解释说,这为利用它们标记并对活体组织中的生物过程进行成像打开了大门。

这些量子点也比常用的活体组织成像材料(如荧光染料或绿色荧光蛋白)具有更高的亮度和更长的寿命。

村田开发的新型量子点被证明可用于细胞内和体内成像

村田希望其量子点未来可以被证明对移植细胞的细胞内成像、体内成像以及它们在组织和器官中的富集和整合特别有用。

Fujihira的团队还成功开发了一种商业规模的制造工艺,以可靠地生产具有特定峰值发光波长的颗粒。他们现在已经将胶体量子点商业化,用作活细胞的荧光标记。

Fujihira表示,虽然它们也可以用于能量转换以及LED和显示器等光学设备,但村田的重点一直是生物成像,这方面的需求很大。他补充说,该团队还通过复杂的配体工程、调整亮度和发光清晰度等手段,不断改善量子点的发光特性。

可持续解决方案

Suzuki说:“我们认为下一个重大挑战是如何在日常设备中始终如一地发挥这些材料的潜力。我们预计,由于纳米颗粒的高功能性和高效资源利用,它们的开发将变得越来越重要。”

Suzuki特别指出,纳米颗粒和量子点有望为可再生能源领域带来重大影响,降低用于制造太阳能电池的资源影响,并有望作为一种新型水分解高效光催化剂,用于氢能源生产。

延伸阅读:
《量子点材料和技术-2019版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》



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