用語解説

ナノ粒子

ナノ粒子とは?

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ナノとは10-9倍(10億分の1)の量であることを表わす言葉です。したがって、ナノメートル(nm)とは10-9mであり、髪の毛の太さの10万分の1程度の非常に小さなサイズになります。ナノ粒子とはナノメートル(nm)オーダーの大きさを持つ粒子のことで、一般的には1~数百nmの大きさの粒子をいいます。仮に地球の大きさを1mとすると、1nmはパチンコ玉、3nmはピンポン玉、5nmはテニスボール程度の大きさになります。

ナノ粒子の特性

同じ重さで粒子の大きさを比較した場合、粒子が小さくなると粒子の総表面積は大きくなります(「粉砕の目的」を参照)。触媒反応は触媒表面で起こるため、触媒粒子をナノサイズにまで小さくすると反応が大幅に促進されたり、触媒の量を減らすことが可能になります。また、粒子の集合体を焼き固めて(焼成して)製品などを作る場合、粒子がナノサイズになると融点が下がるため、低い温度で焼成ができるようになります。
ナノ粒子はその大きさによって光の散乱と反射にも大きく影響します。屈折率が小さい酸化物などの場合、可視光波長(400~800nm)の1/10以下の大きさになると散乱が非常に小さくなるため、液体などに均一に分散させると透明になります。また、金属の場合は粒子中の自由電子の集団振動が光の波と共鳴すると鮮やかな色調が現れます。金の場合には赤色、銀の場合には黄色になります。
このようにナノ粒子は、大きな粒子では得られない新たな特性を私達に提供してくれるのです。

ナノ粒子の作り方

粒子の作り方には、固相法、液相法、気相法の3つがあります。固相法は大きな粒子に機械的なエネルギーを加えて粉砕しますが、粉砕ではサブミクロン(数百nm)程度の大きさが限界といわれています。したがってナノ粒子は液相法もしくは気相法で一般的に作られます。液相法には共沈法、ゾルゲル法、液相還元法、水熱合成法などの方法があり、気相法には電気炉法、化学炎法、レーザー法、熱プラズマ法などがあります。日清エンジニアリングでは熱プラズマ法を用いてナノ粒子を作っています。

熱プラズマ法の原理と特長

熱プラズマ法では、下図に示すようなトーチ部分に非常に高温(約10,000℃)のプラズマを発生させます。このプラズマで原料を蒸発させ、その蒸気を急速に冷却・凝縮してナノ粒子を作ります。プラズマは固体でも蒸発させることができるので、様々な形態の原料を使用できます。また外部コイルからの誘導加熱によってプラズマを発生させるため外気との接触がなく、任意のガスをプラズマに供給することにより酸化、還元、不活性などの雰囲気を選択でき、高純度の酸化物、金属、窒化物など様々なナノ粒子が得られます。

熱プラズマ法の原理と特長
  • 超高温反応場を用いた気相法
  • さまざまな原料の使用が可能(固体、液体、気体)
  • 大量製造にも対応可能(100kg/月)
  • 不純物の混入がなく、高純度
  • 酸化、還元、不活性など雰囲気の選択が自由

ナノ粒子の製造

熱プラズマ法で作ったナノ粒子の例を下に示します。金属や酸化物だけではなく、窒化物や炭化物、フッ化物、硫化物、ホウ化物のナノ粒子を製造した実績があります。また複数の原料を同時にプラズマに供給することで合金のような複合ナノ粒子の製造も可能です。

  • Ni
  • CaF2
  • TiN
  • Cu
  • Y2O3
  • TiC
  • Ag
  • WO3
  • Ni-W

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