研究開発ナノとは？ Research & Development

ナノとは？

① ナノとは？

"ナノ"とはナノメートル（nm）の略称であり、1m（メートル）の10億分の1、すなわち1ミリの1/1000のまた1/1000の長さを表します。
"ナノテクノロジー"と呼ばれる現在の計測技術はそのような極微の世界での出来事を観察することを可能にしました。

ナノ化のイメージ

地球の直径を1メートルとしたら、 1ナノメートルはビー玉くらいの大きさです。

10⁰(m)

10^-1(d)

10^-2(cm)

10^-3(mm)

10^-4

10^-5

10^-6(µ)

10^-7

10^-8

10^-9(n)

10^-10

1円玉の直径（2cm）

大腸菌（～2㎛）

インフルエンザウィルス（～100㎚）

原子（0.1㎚）

ヒト（平均160cm）

1円玉の直径（2cm）

ミジンコ（～2mm）

大腸菌（～2㎛）

集積回路の配線の幅（10㎛）

インフルエンザウィルス（～100㎚）

窒化ホウ素ナノレベル
分散スラリー（1㎛）

原子（0.1㎚）

ヒト（平均160cm）

ミジンコ（～2mm）

集積回路の配線の幅（10㎛）

窒化ホウ素ナノレベル
分散スラリー（50㎚）

ナノテクノロジー (nanotechnology)

物質をナノメートル (nm、1nm = 10^-9m)の領域すなわち原子や分子のスケールにおいて、自在に制御する技術のことである。ナノテクと略される。そのようなスケールで新素材を開発したり、そのようなスケールのデバイスを開発する。

ナノ材料

ナノテクノロジーは「単一の技術」ではなく「一連の技術」であり、多くの異なる市場に対して技術的なブレークスルーを生み出すものであるといえます。
このような枠組みで捕らえると、ナノテクロジーの世界を「ナノツール」、および「ナノデバイス」、「ナノ構造材料」という
3つの大きなカテゴリーに分けることができます。

ナノ素材

ナノスケールになったとき独特の特性が生じる素材を研究開発するという分野（コロイド、界面化学、カーボンナノチューブなどのフラーレン、各種ナノ粒子やナノロッド等）

ボトムアップ的アプローチ

ボトムアップ方式では、より小さいものから複雑なものを組み立てる。

トップダウン的アプローチ

トップダウン方式では、より大きなものからより小さなデバイスを作ろうとする。

ナノ粒子

大きさが1-100nmの範囲にある（超微粒子）

活性度と反応性が飛躍的に高まり、バルク時に比べて、電磁気的、光学的、機械的特性が大きく異なる。

物理的・化学的特性が大きく変化し、新たな特性が付与される
顔料、化粧品、触媒、医薬品、トナーやインク等

ナノとは？

② スラリーとは？

スラリーとは、懸濁体（けんだくたい）のことで、液体の中に固体を混ぜ合わせたものです。大量の液体の中に、徐々に少量ずつ固体を入れかき混ぜると、どろっとした液体のような固体のような状態となります。

粘性の強い（ドロドロとした）流動物であることが多く、この液体と固体との懸濁液（けんだくえき）、これがスラリー液です。

スラリーとは？

微粒子が液体中に分散している懸濁液の安定性は、いろいろな工業分野における生産プロセスや製品に深い関係を持ています。

分散された粉体粒子を含んだ、流動性のある液体を粒子分散液と呼びます。粒子分散液は、使用される業界や液の流動状態によって、スラリー（slurry）とかペースト（paste）とも呼ばれます。厳密な定義はありませんが、スラリーは主成分がほとんど溶剤と粉体粒子で、流動性はサラサラとかサクサクといったイメージです。ペーストは、これに油脂や樹脂などが入って、流動性がヌルヌルとかベタベタ、ボテボテとしたものを指すことが多いようです。また、樹脂が溶解しているだけで粒子を含まないものも、ペーストと呼ばれることがあります。

粒子分散液を総称してサスペンション（suspension）と呼ぶこともあります。

エマルジョンは、互いに混ざり合わない2液相間。牛乳、バター等

サスペンションは、液－固体間でのコロイド。モルタル等

凝集と分散の違い

③ 凝集と分散の違い

スラリーを調製する際、微粒子・ナノ粒子は、一般に1次粒子が凝集した状態で供給されます。

分散と凝集

粒子の状態

分散と凝集

「凝集」とは

1次粒子が完全にバラバラではなく、いくつか集まって大きい粒子の単位を形成していることがあり、これが凝集粒子で、1次粒子が小さい粒子になればなるほど粒子間の凝集力が増して形成しやすくなります。

「分散」とは

「分散」とは、一次粒子ができるだけ単一粒子となって、「流体や他の成分中へ均一または構造を形成しながら分布すること」である。このとき、分散している微粒子を「分散相」（または「分散質」）、他方を「連続相」または「分散媒」という。

弊社の技術は分散剤を使用することなく、再凝集しにくい高濃度スラリーです。

ナノとは？

④ ナノ分散がなぜ困難なのか？

スラリーの分散・凝集状態は、得られる最終製品の品質に密接にかかわるため、
スラリーの分散安定性評価は非常に重要です。

水中に浮遊懸濁している大きさが数nmから数㎛の範囲にあるコロイド粒子は、周りの環境条件に応じて互いに凝集してフロックと呼ばれる凝集体を形成したり、反発しあって個々の粒子として存在したりします。

常温で気体であるような分子は、温度が低くなって分子運動が弱まり、分子同士が互いに近づいた場合でも、おのおのが安定であるために化学結合は起こらない。しかし、分子の接近によって分子間に力が働き、一種の結合状態（液体や固体）になると考えられる。この分子間引力をファン・デル・ワールス力が発生します。

ファンデルワールス力が大きいと言う事は、分子同士がくっついているからバラバラになりにくい。
つまり、分散しにくいという事になります。

サブミクロン以上の微粒子分散法

DLVO理論に基づく静電反発作用の設計

（B.V.Derjaguin, L.D.Landau, E.J.W. Verwey, and Th. G.Overbeek）による「粒子間に働く相互作用は、粒子間の電気的反発力とファン・デル・ワールス力の和によって表される」という理論

表面への吸着物による立体障害（ループ・トレイン構造）

界面活性剤や高分子分散剤を表面に吸着することで、立体障害効果を発発現させる方法

ナノ粒子

DLVO理論からナノ粒子に必要な静電反発作用の目安は計算できるが、排斥ポテンシャルピークは数nm付近、ナノ粒子での表面平均距離はこのピークが現れる距離以下になり、ファン・デル・ワールス力で粒子は凝集する

安定化の方法

安定化の方法については、静電気的反発による安定化と、立体障害によるものである。
静電気的反発は固体粒子の表面に同一の極性の電荷を与え、粒子同士が電気的反発によりある距離以上近づかないようにすることで、凝集を防止するものである。低極性溶剤などの場（バインダー溶液）が非極性の場合には期待できないが、高極性溶剤系や水系などでは主たる安定化メカニズムとなる。

安定化メカニズム