[发明专利]结合气相和湿化学方法而进行的化学反应

说明书

技术领域

本发明涉及化学反应，且特别涉及用于产生纳米微粒(NPs)的方法和装置。特别地，本发明涉及用于产生完全新型的纳米微粒的装置和方法，所述纳米微粒显示出新颖的性能。本发明延伸到这些新型纳米微粒本身，以及将这些纳米微粒用于各种生物医学应用的用途，例如在治疗和诊断中，以及光电子学中。 

背景技术

纳米微粒是包含2到最高约10⁹个原子或分子的集合体。它们通常具有不同于原子和分子的性能，且在当仅加入甚至一个原子时，在量子尺寸范畴(<100原子)观察到纳米微粒性能中的突变。在较大尺寸(>100原子)，性能随着尺寸进一步增加逐渐变化，使得主体性质开始出现。这种尺寸依赖性表明如果尺寸可足够良好地被控制的话，应该能够实现具有非常受控的性能的新颖材料。 

由于在生物医学、光学和电子领域中的多种可能应用，纳米微粒(NP)研究是目前引起强烈科研兴趣的区域。例如，硅NPs由于其与微电子设备的关联以及最近由于用作发光体而吸引了注意。一种想法是使用纳米微粒在微电子设备中用光学信号传输代替电信号传输。但不幸的是，结晶硅由于其间接带隙，是非常低效的发光体。与此相对，硅NPs由于其小尺寸而具有准直接带隙，且因此能够有效发光。另一想法是使用纳米微粒来增强太阳能电池的能量转化，许多该太阳能电池由硅制备。荧光NPs也具有用于医疗诊断和治疗的潜力。硅的荧光NPs特别有希望，因为硅基NPs被视为是无毒的且适合于活体应用。 

有数种生成NPs的方法，其可被分成从底向上和从顶向下的方法，取决于纳米粒子是从小单元构建或通过破碎较大单元构建。从底向上方法可进一步分成气相基方法或湿化学基方法。这些方法的区别在于可如何控制待生产的纳米颗粒的物理和化学性能。它们也可通过可以实现的产率来区分。 

所有的从底向上方法要求提供原子或分子形式的起始材料，其随后反应并生长成纳米微粒。为了生长成纳米微粒，所述原子或分子需要成核，这在气相 中，例如仅在原子或分子经历三体碰撞以释放过剩的结合能时的临界密度下发生。在气相方法中，通常提供凝结介质，例如介于三体碰撞之间的惰性缓冲气体(gas-aggregation method，K.Sattler,J.Muhlbach,E.Rechnagel,Phys.Rev.Lett.45(10),821(1980))，或提供表面，在该表面上原子或分子凝结、扩散、聚集并反应，释放过剩的能量到表面。作为例子，通过离子溅射生成的纯金属或半导体蒸气达不到聚集所需的临界密度且不可能不引入进一步的手段地产生纳米微粒。在另一方面，湿化学方法由于所涉及的液体的高密度，的确提供了用于聚集和反应的直接介质。然而，在普通湿化学方法中，一旦开始生长，成核中心数逐渐减少。因此，生长速率和成核速率之间的平衡对于尺寸是关键的。小尺寸要求大量成核中心，且高的生长速率有助于大的尺寸。 

为了进一步限制纳米微粒的尺寸，在某些点，需要抑制生长。这可通过在气相基方法中停止供应原子或分子，或在湿化学方法中通过达到热力学平衡条件而实现。而且，纳米微粒的可行的用途要求化学稳定，以抑制通过物理聚集或化学转化的进一步的生长。 

气相和湿化学方法两者对于生产纳米微粒具有特定的优点和限制。为了实现对纳米微粒性能的控制的最大范围，因此存在有对结合气相和湿化学方法的装置和相关方法的需求。 

发明内容

根据第一方面，提供用于实施化学反应的装置，该装置包括含有气体的真空室，用于进料液体喷射流到真空室并穿过该气体的进料机构，其中在使用中，气体的原子和/或分子和/或原子离子和/或分子离子与彼此反应，和/或与液体喷射流的原子和/或分子反应，以由此形成反应产物。 

在第二方面，本发明提供用于实施化学反应的方法，该方法包括： 

(i)在真空室中提供包含原子和/或分子和/或原子离子和/或分子离子的气体； 

(ii)进料包含原子和/或分子的液体喷射流到所述真空室并穿过所述气体； 

(iii)允许所述气体的原子和/或分子和/或原子离子和/或分子离子与彼此反应，和/或与液体喷射流的原子和/或分子反应，以在真空中形成反应产 物。