納米粒子在水溶液中常呈現為締合形態，對這類集合體的特征分析挑戰重重。借助于現代顯微鏡技術，結合分散方法，可成功解析最復雜的納米集合形態。
現在，材料研究和藥物研究已能成功應用到具有復雜納米結構的多組分體系，源自金屬、氧化物、半導體和有機材料的納米微粒的應用日益廣泛。納米微粒可作為催化劑、電子-光學涂層、納米復合材料、診斷和治療試劑等。鑒于納米微粒不溶于任何溶劑、不與高分子混合的特性，它們在合成、離析、處理和加工時強烈傾向于形成聚集體，這樣就影響了其功能以及由其所制備的材料的效能，催化劑即是如此。另一方面，這種聚集作用又能夠帶來所希望的材料性能。因此，針對性控制納米微粒的聚集作用便成為許多應用的關鍵步驟。要實現對材料的有用開發，需對微粒的形成和結構作出詳細解析和有效分析。聚集體在通常情況下會顯示出從幾個納米至幾百微米特性尺寸范圍的結構特征，但是還沒有一種方法能夠適應如此寬廣的范圍，只有通過聯合現代結構分析方法，才有可能作出詳細的結構解析。納米微粒聚集體的特征分析是當今納米科學領域中特別具有挑戰性的任務。
圖2. 采用動態光散射法測定在水溶液中以單個（以實線表示）和締合態（虛線和點線）呈現的納米微粒（b,c）。
納米微粒聚集體
漢堡大學物理和大分子化學專業組多年來致力于有關表面活性劑、納米微粒和超級結構中高分子可控締合的研究，并且還有針對性地應用了自組織過程。根據配位物理化學原理，實現具有納米結構的多組分體系是可控性制備的關鍵。所研究的納米微粒是直徑在2~10nm的CdSe納米微粒，納米微粒的締合可以通過高分子涂層加以控制，新近的研究成果是關于納米微粒呈穩定的晶格結構和多孔結構的可控締合，這只有通過多種方式的特性分析方法才有可能實現。CdSe納米微粒在可見光區呈現強烈的熒光，它們正被研究在光伏發電和診斷試劑領域的特殊用途。目前主要帶有聚乙二醇高分子的納米微粒涂層，具有良好的溶解度，且其水溶液具穩定性，由此可以改變其高分子涂層的厚度，在較低的涂層厚度時其穩定性也隨之降低，以致納米微粒出現聚集傾向，通過控制涂層厚度便可控制納米微粒的聚集。
圖3. 采用低溫透射電子顯微鏡攝制的以單個和呈鏈狀締合的納米微粒圖像，高分子涂層厚度由A到C遞減。
動態光散射
為了能對締合、聚集作用進行詳細研究，主要采用的是分散型方法和成像的顯微鏡方法。分散型方法利用的是光的干涉、X射線和中子輻射來獲得樣品的結構特征，而特別適合快速測定微粒在溶液中粒徑分配方法的是動態、準彈性光散射法。相應的儀器是懸浮粒徑分析儀， 采用這種儀器可以在數分鐘內快速、定量地測出微粒從納米到微米大范圍內的粒度分配。
圖2顯示所測得的單個和締合的納米微粒粒度分配圖。在帶有密集的聚乙二醇涂層的情況下，聚集作用被完全抑制，納米微粒都以單個形式存在于溶液中，所測得的粒度大小具有15 nm中值，相當于該納米微粒的總直徑加上所述的高分子涂層。通過逐級降低高分子涂層厚度后，可按照可控方式實現微粒的聚集，這點可通過將粒度分配推移至100nm時加以辨識。進一步降低涂層厚度會導致更大的聚集。動態光散射法由此首次展現出溶液中聚集作用的定量景象。
圖4. 采用共焦激光掃描顯微鏡攝制的水溶液中具熒光的CdSe 納米囊狀體的圖像，納米粒子直徑分別為2.6 nm(A) 和3.1 nm(B)。
低溫透射電子顯微鏡
溶液中所形成的聚集體具有何種結構，采用動態光散射法僅能在聚集體非常一致的情況下做出結論，但實際上往往形成的多為分散和多形態的結構，所以需要能進行特征鑒定的成像方法。透射電子顯微鏡(TEM)是一種非常適合納米結構分析方法，適用于從納米到微米的粒度范圍。但是透射電子顯微鏡的缺點在于只適用固體樣品，實驗需在高真空環境下進行，對于有溶劑的樣品，必須首先將溶劑除去，而干燥操作有可能改變其在溶液中所呈現的結構。一些實驗室建立的低溫透射電子顯微鏡（cryo-TEM）提供了測定溶液中微粒結構的可能性，特別適用于水溶液的測定。將溶劑置入多孔載體上，快速放入處于熔點的液態乙烷（-183℃），可獲得很高的冷卻速率，水形成玻璃固體而避免產生冰的結晶。這種玻璃固態的冰直至100 nm的厚度還能讓電子射線穿透，從而允許測定實際上存在于水溶液中的微粒結構。圖3顯示了水溶液納米微粒在非聚集態和聚集態的低溫透射電子顯微譜圖。可以看出，納米微粒以逐漸降低的穩定性，系統聚集成為確定的多重體、簇化物、鏈狀體和晶體。這一現象令人驚奇，因為聚集體通常情況下只能形成相當不確定的結構。
圖5. 采用透射電子顯微鏡（A）和高分辨透射電子顯微鏡（B）所攝制的鏈狀納米微粒聚集體圖像，位于鏈中相鄰的納米粒子之間的距離明顯減小。
這種通過改變高分子涂層厚度來控制聚集的方法已首次成功地應用于研究之中。在聚集化的納米微粒情況下，所形成的鏈狀和晶格結構非常穩定，將其溶劑蒸干仍還能保存結構特征，這樣一來就有可能采用傳統的TEM方法在高真空中測定結構圖像，如圖5所示。在進一步降低高分子涂層的情況下，可以觀察到囊狀體的生成，已熟知的見于高分子脂類和兩親物類，漢堡的學科組首次觀測到納米微粒這一現象。對于脂質體的納米微粒，學科組也曾觀測到微米級巨型囊狀體的生成。這樣的結構如果要在低溫透射電子顯微鏡中形成就顯得太大了一些，光學的和熒光顯微鏡方法可以更好地適應微米級大小，尤其是共焦激光掃描顯微鏡(CLSM) 在近年來進展很快，具熒光的納米微粒可以借助于共焦顯微鏡很好地成像。圖4顯示納米微粒所形成的具若干微米直徑的巨囊體。通過掃描處理可以重建囊狀體的三維結構，從而更加準確地測定其空間分配。
聚集體的締合機理
納米微粒聚集體的形成機理研究迄今尚處于奠基的初級階段。起穩定作用的高分子涂層由聚乙二醇鏈所組成，鏈的終端固定于納米微粒的表面，這些固定基具有一定的流動性，在微粒表面上的位置可以隨意變動。當兩個納米粒子相互接近時，介于其間的高分子會被粒子之間的吸引力“擠壓出來”。依此方式，納米微粒在獲得能量的情況下進一步互相靠攏，同時“擠壓出來”的高分子又提高了聚集體表面的涂層厚度，從而抑制了進一步的聚集作用。
按照這種假設，處于締合狀態的納米微粒間必定距離很小。微粒檢驗從埃米到納米尺度的結構特征，需要采用高分辨率的TEM方法（HRTEM），相應的攝譜如圖5。從截取并放大的圖中可以清楚地看出，鏈式相鄰的納米粒子之間的距離要比那些游離相鄰的納米粒子的距離小很多，這是鏈式擠壓的明顯證明，證實了上述形成機理。
這種締合的納米研究的實例表明，所形成的結構是非常復雜的，同時，通過采取一系列實驗室建立的結構分析方法，可以解析從埃米級（見圖5）到微米級（見圖4）的結構特征。
當前納米科學領域內的擴展性研究涉及到以下內容：采用高分辨率的電子顯微鏡（EDX，EELS）以分析材料的元素成分，采用熒光顯微鏡法改進分辨率極限至10 nm（STED顯微鏡），采用帶微波輻射同步輻射源的光柵X射線繞射法以獲取異質材料的局部結構信息。
作者介紹
Stephan Forster教授、博士：美因茲大學和多倫多（加拿大）大學化學專業，1993年在美因茲/馬克斯·普朗克研究所完成高分子研究博士學位，于明尼蘇達大學（美國）攻讀博士后，1999年獲波茨坦/馬克斯·普朗克膠體和界面研究所教授資格，漢堡大學物理和大分子化學專業C4級教授，2006年成為漢堡應用納米工業技術中心（CAN）成員。