纳米化学的重现性

为何担心?

纳米化学的六个核心概念分别是大小、形状、表面、缺陷、自组装,以及在先进材料和生物医疗领域的应用。这些概念构成了利用化学方法制备纳米材料的基础。在这种自下而上制备纳米材料的范例中,用来控制纳米材料完美程度的合成方法较早期的胶体化学方法相比得到了巨大的提高。而今,胶体化学逐步蜕变为纳米化学的一部分。然而,针对于重现性,这些合成方法相比胶体化学的方法到底有哪些提高?我们又为何要关心这些重现性问题?

纳米材料的重现性

科学的方法都是建立在重现性原则基础之上的。据报道,发表在学术期刊上的研究工作的重现性仅为10% – 30%。作为科学基础的重现性如此之低,已经到了让人忧心不已的地步。在利用纳米化学方法合成纳米材料这一领域,一个明显的问题就是,重现性应该怎么来定义以及纳米材料合成方法的重现性究竟是怎样的?由相同或不同的人,在相同或不同的地点所进行的重复合成,这些重复合成之间的吻合程度可以成为文献或专利中所述合成方法重现性的一种衡量手段。在学术界和工业界研究中,一篇论文或专利中所报道的合成路线应该能够保证这一工作成为新发现诞生的平台,保证专利声明的正确性,以及提供实现商业化的机会。由于纳米材料是一种介于分子和材料之间的独特物质状态,因此,人们想知道什么才是衡量纳米材料合成重现性的最好方法?亦想知道一种纳米材料合成方法要想用于实际应用之中,究竟需要怎样的可重现性?

大小和形状

人们在纳米材料的合成过程中,总是得到具有一定大小和形状分布的多分散纳米粒子,却很少能够得到具有完全相同的单分散产物,这一直是纳米材料合成方面的一个大问题。因此,我们这次提到的重现性是指可以重复得到样品纳米粒子中的大小和形状分布,我们将其定义为多分散指数,亦即分散度,表示为PDI=[(σ/d)2+1],其中d和σ分别是平均粒径和纳米粒子分布的标准差。然而,这里的问题在于,我们仅能得到纳米粒子的大小和形状在统计学意义上的平均分布。由于纳米粒子的许多性质都受到量子力学定律中的电子和空穴空间束缚效应所影响,因此在理想状态下,纳米粒子的大小和形状需要达到原子级别的精度,但事实上这是不可能实现的。即使是对于PDI为1.05的最佳单分散条件来说,其所表示的纳米粒子标准差在原子级别也将会达到数十、数百或者数千。纳米粒子合成中的这一数量级上面的变化,可能会造成化学、电化学和光化学行为差异,以及光学相位、电学、光电、热电和压电特性的区别,甚至影响生物医疗诊断和治疗的不同活性。

表面、缺陷和自组装

纳米材料的外表面在重现性方面面临着更加严峻的挑战。表面,也许是纳米材料最难定义、最难控制和最难理解的一个性质。在这里,表面包括表面结构、组成、电荷、缺陷和纯度,以及绑定在这些表面上的有机和(或)无机包裹基团的数量和分布。这些特征很难进行量化,并且在不同的纳米粒子以及重复合成之间也无法做到完全一致。此外,由于纳米粒子本身具有很高的表面积/体积比,表面存在大量可以配位的不饱和原子,这使得其组成成份表现为非化学计量的,也就是说,很难进行精确地定量分析。非化学计量的直接结果就是纳米粒子显出掺杂、混合价态和缺陷态。此外,由于控制纳米材料组成功能结构的力是复杂多样的,因此表面的性质对纳米尺度结构和特性具有决定性作用。所以,控制和定量分析纳米粒子表面和缺陷以及它们的自组装几乎就是一件不可能完成的事情。如何掌握并控制纳米粒子表面的化学和物理性质便成为很多与健康和医疗相关的先进材料和生物医药应用所面临的一个严峻挑战。

产率

对于通过纯化可以得到单一产物和单一物相的分子和普通材料来说,它们的产率从原理上来说是可以进行精确定义的。但我们应该如何定义那些由一群具有不同大小、形状、表面和缺陷的纳米粒子所组成的纳米材料的产率呢?测量包含标准差的总体分布上的质量产率可以作为有意义的产率吗?这一产率定义可以表达出合成方法的重现性吗?是否需要得到每种组份纳米粒子的大小、形状和表面直方图呢?

对纳米材料的忧虑

由于这些合成上的不确定性,以不同制备方法所得到的纳米材料进行实验所得到的结果会呈现一个整体上的平均值,这对于某些应用来说是可以接受的,而对于其他应用来说则会带来问题。我们需要仔细检查每种情况下人们对合成纳米材料重现性所导致的内在不均匀性的忍耐性。

重现性标准

对于制造纳米材料,研发产品和流程的纳米化学研究人员和工业界群体来说,他们最大的苦恼就是纳米材料的重现性问题。这一问题的关键就是缺乏可以对已知和未知纳米材料的重现性进行量化的一整套标准和流程。正因为纳米材料合成报道中有关这方面研究的缺失,所以,论文和专利的作者、同行评议审稿人以及论文和专利的出版商都有责任参与到这方面的工作中来。其中一个有效的解决办法就是把重现性程度的证据作为一个含有纳米材料合成的论文能否被发表的先决条件。事实上许多分析方法在处理纳米尺度材料的重现性问题上都达到了其分辨率所能达到的极限,因此我们需要为读者提供充分庞大的数据来说明这些实验结果的精度和重现性。研究人员需要对纳米材料合成的重现性证据提出更高的标准,科学出版商们则需持有更加严格的立场,这些对纳米化学研究群体将会大有裨益,并在很大程度上有助于将纳米材料理念转化成面向市场的创新产品和工艺。

纳米材料研究的思索

在这篇有关纳米重现性文章的最后,我们需要思考纳米研究群体如何判断科学的质量?也许有人说,令人惊奇的图像加上常规科学的组合看起来比令人惊奇的科学加上常规图像的组合更加受人欢迎。但是,那些获得令人惊奇图像的人并不能称之为科学家,他们只能被叫做摄影师!高质量的图像并不能代替高质量的科学!科学应该被排在第一位,而图像仅是第二!问题是,你们所宠爱的纳米材料的艺术般的图像是否具有代表性,合成方法的重现性究竟如何?现在,纳米研究群体所面临的的一个进退两难的窘境便是文献中充斥着无法重复的纳米材料合成,这不仅危害着这一领域的进步,减少其科学可信性,甚至还破坏了纳米领域的潜在商业前景。

 来源:MaterialsViews

翻译:张洪涛

About Geoffrey Ozin

1965年在英国伦敦国王学院获得学士学位,1967年在牛津大学获得无机化学博士学位。1967年至1969年间任职于英国南安普顿大学,随后加入加拿大多伦多大学并于1977年晋身为全职教授。他还被加拿大政府任命为纳米化学首席科学家,同时他还是英国皇家学会和伦敦国王学院荣誉学士,德国卡尔斯鲁厄理工学院客座教授。更多信息可访问:http://nanowizardry.info/