连(纳米)点成线:NIST说大图思维可以改进纳米颗粒制造
纳米颗粒可以具有许多不同的形状和尺寸,因此这会增加制造成本。在2019个获得NIST小型企业创新研究(SBIR)奖的项目中,有一项就是对NIST开发的根据每个粒子的大小和组成对纳米粒子进行分选的技术实现商业化。

纳米粒子制造是指生产小于100纳米的材料单元(尺寸相当于一块大理石砖的10万分之一),这恰好印证了“好东西在小包里”的那句老话。如今,经过精心设计的纳米粒子已经无所不能,从最先进的电视中用来为绚丽色彩着色的量子点纳米晶体,到防感染绷带中所用的极小的银微粒。但是,对于依靠这些微小的构成要素而获利的商业企业来说,他们都面临着质量控制问题,如果不解决这些问题,则可能会降低效率,增加生产成本,并限制相关产品的商业影响力。

为了克服这些障碍,美国国家标准与技术研究院(NIST)携手非营利组织世界技术评估中心(WTEC),共同倡议纳米颗粒研究人员、制造商和管理人员“连点成线”,以更广泛的视角考虑共同面临的挑战,摈弃孤军奋战的做法,集体应对这些挑战。为了促进问题的解决,这需要跨学科的知识转移,在不同组织之间协调行动,以及共享资源。

具体的建议已行文发表于期刊《ACS应用纳米材料》(ACS Applied Nano Materials)。

NIST物理科学家Samuel Stavis说:“我们从纳米粒子制造的全局出发,确定了不同材料、工艺和应用中的通用问题。解决这些问题就可以促进整项事业的发展。”

这篇论文提供了一个框架,可有助于更好地理解这些问题。这其实是集中了大家的观点,而引发这项研究的是NIST曾组织的一场研讨会,当时重点探讨的基本难题是减少或减轻异质性,即制造过程中出现的纳米粒子尺寸、形状和其他特征的无意变化。

NIST化学工程师、该论文作者之一Jeffrey Fagan说:“异质性会对纳米颗粒制造产生重大影响。”

论文作者指出,纳米颗粒制造中最有益的创新应该是在过程的早期阶段最大程度地减少异质性,从而可减少后续加工的需求。这样就能减少浪费,简化表征,并改善纳米颗粒与产品的融合集成,所有这些都可以节省成本。

作者通过比较金纳米颗粒和碳纳米管的生产来说明了这一点。他们指出,对于金纳米颗粒的制造而言,最初的合成成本可能很高,但是生产的纳米颗粒具有较高的一致性,这会减少对纯化和表征的需要。因此,可以以相对较低的成本制成各种产品,例如传感器。

相比之下,非均相的碳纳米管的合成成本较低,但后续需要更多的处理加工才能产生具有所需特性的碳纳米管。当前,在制造过程中增加的成本使得纳米管仅适用于诸如数字逻辑器件之类的高价值应用。

NIST材料科学家、论文作者之一J. Alexander Liddle说:“尽管这些纳米粒子及其最终产品区别很大,但它们的制造商可以从彼此的最佳实践中相互取经。通过共享知识,他们也许能够改进看似完全不同的业务操作。”

论文作者指出,找到类似这样的连点成线的方法非常关键,这对于努力将纳米技术从实验室转移到市场的新企业至关重要。

世界技术评估中心(WTEC)纳米技术顾问、论文作者之一Michael Stopa表示:“纳米粒子制造的成本可能很高,还未等到最终产品实现商业化,资金便可能会耗尽。在这篇论文中,我们列出了一些可以帮助更多新企业迈过技术转移‘死亡谷’而存活下来的良机。”

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