อนุภาคนาโนหรืออนุภาคละเอียดพิเศษคืออนุภาคของสสารที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 ถึง 100 นาโนเมตร (nm) ^{[ 1 ] [ 2 ]}บางครั้งคำนี้ใช้กับอนุภาคที่ใหญ่กว่า สูงถึง 500 นาโนเมตร หรือเส้นใยและท่อที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตรในสองทิศทางเท่านั้น^{[ 2 ] : 394} ในช่วงที่เล็กที่สุด อนุภาคโลหะที่มีขนาดเล็กกว่า 1 นาโนเมตร มักจะเรียกว่าคลัสเตอร์อะตอมแทน

อนุภาคนาโนแตกต่างจากอนุภาคไมโคร (1–1000 μm) "อนุภาคละเอียด" (ขนาดระหว่าง 100 ถึง 2500 nm) และ "อนุภาคหยาบ" (ตั้งแต่ 2500 ถึง 10,000 nm) เนื่องจากขนาดที่เล็กกว่าทำให้คุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีแตกต่างกันมาก เช่น คุณสมบัติของ คอลลอยด์และผลกระทบทางแสงที่รวดเร็วมาก^{[ 3 ]}หรือคุณสมบัติทางไฟฟ้า

เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะเกิด การเคลื่อนที่แบบบราวน์มากกว่า อนุภาคเหล่านี้จึงมักไม่ตกตะกอน ต่างจากอนุภาคคอลลอยด์ซึ่งโดยทั่วไปมีขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 1000 นาโนเมตร

เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ มาก (400–700 นาโนเมตร) อนุภาคนาโนจึงไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ แบบธรรมดา ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนหรือกล้องจุลทรรศน์ที่มีเลเซอร์ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ การกระจายตัวของอนุภาคนาโนในตัวกลางโปร่งใสจึงโปร่งใส^{[ 4 ]}ในขณะที่สารแขวนลอยของอนุภาคขนาดใหญ่กว่ามักจะกระจาย แสงที่มองเห็นได้บางส่วนหรือทั้งหมดที่ตกกระทบลงบน ^{อนุภาค}เหล่านั้น อนุภาคนาโนยังสามารถผ่านตัวกรอง ทั่วไปได้ง่าย เช่นแท่งเซรามิก ทั่วไป [ ^{5 ]}ดังนั้นการแยกออกจากของเหลวจึงต้องใช้เทคนิค การกรองนาโน แบบพิเศษ

คุณสมบัติของอนุภาคนาโนมักจะแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากคุณสมบัติของอนุภาคขนาดใหญ่ของสารชนิดเดียวกัน เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางทั่วไปของอะตอมอยู่ระหว่าง 0.15 ถึง 0.6 นาโนเมตร วัสดุส่วนใหญ่ของอนุภาคนาโนจึงอยู่ภายในเส้นผ่านศูนย์กลางอะตอมเพียงไม่กี่หน่วยจากพื้นผิว ดังนั้น คุณสมบัติของชั้นพื้นผิวนั้นอาจมีอิทธิพลเหนือกว่าคุณสมบัติของวัสดุส่วนใหญ่ ผลกระทบนี้จะรุนแรงเป็นพิเศษสำหรับอนุภาคนาโนที่กระจายตัวอยู่ในตัวกลางที่มีองค์ประกอบแตกต่างกัน เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัสดุทั้งสองที่ส่วนต่อประสานก็มีความสำคัญเช่นกัน^{[ 6 ]}

อนุภาคนาโนพบได้ทั่วไปในธรรมชาติและเป็นวัตถุของการศึกษาในหลาย สาขาวิทยาศาสตร์เช่นเคมีฟิสิกส์ธรณีวิทยาและชีววิทยาเนื่องจากอยู่ตรงจุดเปลี่ยนระหว่างวัสดุขนาดใหญ่และ โครงสร้าง ระดับอะตอมหรือโมเลกุล อนุภาคนาโนจึงมักแสดงปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถสังเกตได้ในระดับอื่น พวกมันเป็นองค์ประกอบสำคัญของมลภาวะทางอากาศ และ เป็นส่วนประกอบหลักในผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมหลายชนิด เช่นสีพลาสติกโลหะเซรามิกและผลิตภัณฑ์แม่เหล็กการผลิตอนุภาคนาโนที่มีคุณสมบัติเฉพาะเป็นสาขาหนึ่งของนาโนเทคโนโลยี

โดยทั่วไป ขนาดที่เล็กของอนุภาคนาโนส่งผลให้ความเข้มข้นของจุดบกพร่อง ลดลง เมื่อเทียบกับวัสดุขนาดใหญ่^{[ 7 ]} แต่อนุภาคนาโนก็รองรับการเคลื่อนที่ ของดิสโลเคชันได้หลากหลายรูปแบบ ซึ่งสามารถมองเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนความละเอียดสูง^{[ 8 ]}อย่างไรก็ตาม อนุภาคนาโนแสดงกลไกการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันที่แตกต่างกัน ซึ่งเมื่อรวมกับโครงสร้างพื้นผิวที่เป็นเอกลักษณ์ ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

อนุภาคนาโนที่ไม่เป็นทรงกลม (เช่น ปริซึม ลูกบาศก์ แท่ง ฯลฯ) แสดงคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาด (ทั้งทางเคมีและทางกายภาพ) ( แอนไอโซโทรปี ) ^{[ 12 ] [ 13 ]}อนุภาคนาโนที่ไม่เป็นทรงกลมของทองคำ (Au) เงิน (Ag) และแพลทินัม (Pt) เนื่องจากคุณสมบัติทางแสงที่น่าสนใจ จึงถูกนำไปประยุกต์ใช้หลากหลาย รูปทรงเรขาคณิตที่ไม่เป็นทรงกลมของนาโนปริซึมทำให้เกิดพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพสูงและทำให้สีของสารละลายคอลลอยด์เข้มขึ้น^{[ 14 ]}ความเป็นไปได้ในการเปลี่ยน ความยาวคลื่นเรโซแนนซ์โดยการปรับรูปทรง เรขาคณิตของอนุภาคทำให้สามารถนำไปใช้ในด้านการติดฉลากโมเลกุล การวิเคราะห์ทางชีวโมเลกุล การตรวจจับโลหะติดตาม หรือการประยุกต์ใช้ทางนาโนเทคโนโลยี อนุภาคนาโนแอนไอโซโทรปีแสดงพฤติกรรมการดูดซับที่เฉพาะเจาะจงและการวางแนวอนุภาคแบบสุ่มภายใต้แสงที่ไม่เป็นโพลาไรซ์ โดยแสดงโหมดเรโซแนนซ์ที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละแกนที่กระตุ้นได้^{[ 14 ]}

ในคำศัพท์ที่เสนอในปี 2012 สำหรับพอลิเมอร์ ที่เกี่ยวข้องทางชีวภาพ IUPAC ได้กำหนดอนุภาคนาโนว่าเป็น "อนุภาคที่มีรูปร่างใดๆ ก็ได้ที่มีขนาดอยู่ในช่วง 1 × 10 ⁻⁹และ 1 × 10 ⁻⁷ม." ^{[ 2 ] : 393} คำจำกัดความนี้พัฒนามาจากคำจำกัดความที่ IUPAC ให้ไว้ในปี 1997 ^{[ 15 ] [ 16 ]}

ในเอกสารเผยแพร่ฉบับเดียวกันในปี 2012 IUPAC ได้ขยายคำนี้ให้รวมถึงท่อและเส้นใยที่มีเพียงสองมิติที่ต่ำกว่า 100 นาโนเมตร^{[ 2 ] : 394}

ตามข้อกำหนดทางเทคนิค ISO 80004 ขององค์การมาตรฐานสากลอนุภาคนาโนคือวัตถุที่มีมิติภายนอกทั้งสามมิติในระดับนาโน ซึ่งแกนที่ยาวที่สุดและสั้นที่สุดไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ โดยความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญโดยทั่วไปคือปัจจัยอย่างน้อย 3 ^{[ 17 ]}

โดยทั่วไปแล้ว "ระดับนาโน" มักหมายถึงช่วงขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 100 นาโนเมตร เนื่องจากคุณสมบัติใหม่ๆ ที่ทำให้อนุภาคแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่ มักจะพัฒนาขึ้นในช่วงขนาดดังกล่าว

สำหรับคุณสมบัติบางอย่าง เช่นความโปร่งใสหรือความขุ่นการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันการกระจายตัวที่เสถียร ฯลฯ จะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอนุภาคนาโนสำหรับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ถึง 500 นาโนเมตร ดังนั้นบางครั้งคำนี้จึงขยายไปถึงช่วงขนาดนั้น^{[ 2 ] : 394}

นาโนคลัสเตอร์เป็นกลุ่มของอนุภาคนาโนที่มีอย่างน้อยหนึ่งมิติอยู่ระหว่าง 1 ถึง 10 นาโนเมตรและมีการกระจายขนาดที่แคบ ผงนาโน^{[ 18 ]}เป็นกลุ่มของอนุภาคละเอียดพิเศษ อนุภาคนาโน หรือนาโนคลัสเตอร์ผลึกเดี่ยว ขนาดนาโนเมตร หรือ อนุภาคละเอียดพิเศษ โดเมนเดียวมักถูกเรียกว่าผลึกนาโน

คำว่าคอลลอยด์และอนุภาคนาโนไม่สามารถใช้แทนกันได้ คอลลอยด์คือส่วนผสมที่มีอนุภาคของเฟสหนึ่งกระจายตัวหรือแขวนลอยอยู่ภายในเฟสอื่น คำนี้ใช้ได้เฉพาะเมื่ออนุภาคมีขนาดใหญ่กว่ามิติอะตอม แต่เล็กพอที่จะแสดงการเคลื่อนที่แบบบราวน์โดยช่วงขนาดวิกฤต (หรือเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาค) โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงนาโนเมตร (10 ⁻⁹ม.) ถึงไมโครเมตร (10 ⁻⁶ม.) ^{[ 19 ]}คอลลอยด์อาจมีอนุภาคที่ใหญ่เกินกว่าจะเป็นอนุภาคนาโนได้ และอนุภาคนาโนอาจมีอยู่ในรูปแบบที่ไม่ใช่คอลลอยด์ เช่น ในรูปผงหรือในเมทริกซ์ของแข็ง

อนุภาคนาโนเกิดขึ้นตามธรรมชาติจาก กระบวนการ ^ทางจักรวาลวิทยา [ ^{20 ]}ธรณีวิทยา^{[ 20 ] [ 21 ]}อุตุนิยมวิทยาและชีวภาพ อนุภาคฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์ จำนวนมาก (ตามจำนวน หากไม่ใช่ตามมวล) ที่ยังคงตกลงสู่โลกในอัตราหลายพันตันต่อปี มีขนาดอยู่ในช่วงอนุภาคนาโน^{[ 22 ] [ 23 ]}และเช่นเดียวกันกับ อนุภาค ฝุ่นในชั้นบรรยากาศไวรัสหลายชนิดมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วงอนุภาคนาโน

อนุภาคนาโนถูกใช้โดยช่างฝีมือมา ตั้งแต่ยุคก่อนประวัติศาสตร์ แม้ว่าจะไม่มีความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของมันก็ตาม ช่างทำแก้วและช่างปั้นหม้อใช้ อนุภาคนาโน ในสมัยโบราณคลาสสิกดังเช่นถ้วย Lycurgus ของโรมัน ที่ ทำจาก แก้ว ไดโครอิก (คริสต์ศตวรรษที่ 4) และ เครื่องปั้นดินเผา เคลือบเงาของเมโสโปเตเมีย (คริสต์ศตวรรษที่ 9) ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือ อนุภาคนาโน เงินและทองแดงกระจายอยู่ในเคลือบแก้ว

ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ให้คำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสงของโลหะขนาดนาโนเมตรในบทความคลาสสิกของเขาในปี 1857 ในบทความต่อมา ผู้เขียน (เทอร์เนอร์) ชี้ให้เห็นว่า: "เป็นที่ทราบกันดีว่าเมื่อแผ่นทองคำหรือเงินบาง ๆ ถูกติดตั้งบนกระจกและให้ความร้อนที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่าความร้อนสีแดงมาก (~500 °C) คุณสมบัติจะเปลี่ยนแปลงอย่างน่าทึ่ง โดยที่ความต่อเนื่องของฟิล์มโลหะจะถูกทำลาย ผลที่ได้คือแสงสีขาวสามารถส่งผ่านได้อย่างอิสระ การสะท้อนลดลงตามไปด้วย ในขณะที่ความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล" ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}

ในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 เมื่อมีการศึกษาพื้นฐานอย่างละเอียดเกี่ยวกับอนุภาคนาโนครั้งแรกในสหรัฐอเมริกาโดยGranqvistและBuhrman ^{[ 30 ]}และในญี่ปุ่นภายใต้โครงการ ERATO ^{[ 31 ]}นักวิจัยใช้คำว่าอนุภาคละเอียดพิเศษอย่างไรก็ตาม ในช่วงทศวรรษ 1990 เมื่อ มีการเปิดตัว โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติในสหรัฐอเมริกา คำว่าอนุภาคนาโนก็เป็นที่นิยมมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ดูเอกสารของผู้เขียนอาวุโสคนเดียวกันเมื่อ 20 ปีต่อมาที่กล่าวถึงประเด็นเดียวกัน คือ การกระจายขนาดแบบลอการิทมิกปกติ^{[ 32 ]}

อนุภาคนาโนมีรูปร่างหลากหลายมาก ซึ่งได้รับการตั้งชื่อไว้หลายชื่อ เช่น นาโนทรงกลม^{[ 33 ] นาโนแท่ง นาโนโซ่ [ 34 ] อนุภาค}นาโนทรงสิบเหลี่ยม^{นาโนดาว}นาโนดอกไม้นาโนแนวปะการัง^{[ 35 ]}นาโนหนวดนาโนเส้นใย และนาโนกล่อง^{[ 36 ]}

รูปร่างของอนุภาคนาโนอาจถูกกำหนดโดยลักษณะผลึก โดยธรรมชาติ ของวัสดุ หรือโดยอิทธิพลของสภาพแวดล้อมรอบ ๆ การสร้าง เช่น การยับยั้งการเติบโตของผลึกบนบางหน้าโดยสารเติมแต่งการเคลือบ รูปร่างของหยดอิมัลชัน และ ไมเซลล์ในการเตรียมสารตั้งต้น หรือรูปร่างของรูพรุนในเมทริกซ์ของแข็งโดยรอบ^{[ 37 ]}การใช้งานอนุภาคนาโนบางอย่างต้องการรูปร่างที่เฉพาะเจาะจง เช่นเดียวกับขนาดหรือช่วงขนาดที่เฉพาะเจาะจง

อนุภาคอสัณฐานมักมีรูปร่างทรงกลม (เนื่องจากโครงสร้าง จุลภาคมีความสมมาตร )

มีการผลิตอนุภาคนาโนกึ่งแข็งและอนุภาคนาโนอ่อนขึ้นมา แล้ว อนุภาคนาโนต้นแบบที่มีลักษณะกึ่งแข็งคือไลโปโซมปัจจุบันมีการใช้ไลโปโซมหลายชนิดในทางคลินิกเป็นระบบนำส่งยาต้านมะเร็งและวัคซีน

การสลายตัวของ ไบโอพอ ลิเมอร์เป็นหน่วยย่อยระดับนาโนถือเป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการผลิตอนุภาคนาโนที่มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและการย่อยสลายทางชีวภาพ ที่ดีขึ้น ตัวอย่างที่พบได้บ่อยที่สุดคือการผลิตนาโนเซลลูโลสจากเยื่อไม้^{[ 38 ]}ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่นาโนลิกนินนาโนไคตินหรือนาโนสตาร์ช^{[ 39 ]}

อนุภาคนาโนที่มีด้านหนึ่งชอบน้ำและอีกด้านไม่ชอบน้ำเรียกว่าอนุภาค Janusและมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการทำให้สารอิมัลชัน มีความเสถียร อนุภาค เหล่านี้สามารถรวมตัวกันเองได้ที่ส่วนต่อประสานระหว่าง น้ำและน้ำมัน และทำหน้าที่เป็นสารทำให้คงตัวแบบ Pickering

อนุภาคนาโน ไฮโดรเจลที่ทำจากแกนไฮโดรเจล N- ไอโซ โพ รพิลอะคริลาไมด์สามารถย้อมสีด้วยสารล่อความสัมพันธ์ภายในได้^{[ 40 ]}สารล่อความสัมพันธ์เหล่านี้ช่วยให้อนุภาคนาโนสามารถแยกและกำจัดโปรตีน ที่ไม่พึงประสงค์ ในขณะที่เพิ่มสารวิเคราะห์เป้าหมาย^{[ 40 ]}

การเกิดนิวเคลียสเป็นรากฐานของการสังเคราะห์อนุภาคนาโน นิวเคลียสเริ่มต้นมีบทบาทสำคัญต่อขนาดและรูปร่างของอนุภาคนาโนที่จะเกิดขึ้นในที่สุด โดยทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสแม่แบบสำหรับอนุภาคนาโนเอง ความเสถียรในระยะยาวก็ถูกกำหนดโดยขั้นตอนการเกิดนิวเคลียสเริ่มต้นเช่นกัน^{[ 41 ]}การเกิดนิวเคลียสแบบเอกพันธุ์เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเฟสหลักและพบได้น้อยกว่า อย่างไรก็ตาม การเกิดนิวเคลียสแบบไม่เอกพันธุ์เกิดขึ้นในบริเวณต่างๆ เช่น พื้นผิวของภาชนะ สิ่งเจือปน และข้อบกพร่องอื่นๆ^{[ 42 ]}ผลึกสามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้เมื่อการเกิดนิวเคลียสเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้น (โมโนดิสเพิร์ส) ในทางตรงกันข้าม อัตราการเกิดนิวเคลียสที่ช้า มักนำไปสู่ประชากรผลึกที่หลากหลาย (โพลิดิสเพิร์ส) ที่มีขนาดแตกต่างกัน ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นได้จากการก่อตัวของผลึก CaCO ₃ ^{[ 43 ]}การควบคุมการเกิดนิวเคลียสช่วยให้สามารถควบคุมขนาด การกระจายตัว และเฟสของอนุภาคนาโนได้

กระบวนการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตภายในอนุภาคนาโนสามารถอธิบายได้ด้วยการเกิดนิวเคลียสการเจริญเติบโตแบบออสท์วาลด์ หรือ แบบจำลองกลไกสองขั้นตอน - การเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง^{[ 44 ]}

ทฤษฎีดั้งเดิมจากปี 1927 เกี่ยวกับการเกิดนิวเคลียสในการก่อตัวของอนุภาคนาโนคือทฤษฎีการเกิดนิวเคลียสแบบคลาสสิก (CNT) ^{[ 45 ]}เชื่อกันว่าการเปลี่ยนแปลงขนาดอนุภาคสามารถอธิบายได้ด้วยการเกิดนิวเคลียสแบบระเบิดเพียงอย่างเดียว ในปี 1950 Viktor LaMer ได้ใช้ CNT เป็นพื้นฐานการเกิดนิวเคลียสสำหรับแบบจำลองการเติบโตของอนุภาคนาโนของเขา แบบจำลองของ LaMer ประกอบด้วยสามส่วน: 1. การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเข้มข้นของโมโนเมอร์อิสระในสารละลาย 2. การเกิดนิวเคลียสอย่างรวดเร็วของโมโนเมอร์ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเติบโตของอนุภาคแบบระเบิด 3. การเติบโตของอนุภาคที่ถูกควบคุมโดยการแพร่ของโมโนเมอร์^{[ 46 ]}แบบจำลองนี้อธิบายว่าการเติบโตบนนิวเคลียสเป็นไปเอง แต่ถูกจำกัดโดยการแพร่ของสารตั้งต้นไปยังพื้นผิวของนิวเคลียส แบบจำลองของ LaMer ไม่สามารถอธิบายจลนศาสตร์ของการเกิดนิวเคลียสในระบบสมัยใหม่ใดๆ ได้^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

การเจริญเติบโตแบบ Ostwaldคือกระบวนการที่อนุภาคขนาดใหญ่เติบโตโดยแลกกับอนุภาคขนาดเล็กอันเป็นผลมาจากการละลายของอนุภาคขนาดเล็กและการตกตะกอนของโมเลกุลที่ละลายบนพื้นผิวของอนุภาคขนาดใหญ่ เกิดขึ้นเนื่องจากอนุภาคขนาดเล็กมีพลังงานพื้นผิวสูงกว่าอนุภาคขนาดใหญ่^{[ 50 ]}กระบวนการนี้โดยทั่วไปไม่เป็นที่พึงประสงค์ในการสังเคราะห์อนุภาคนาโน เนื่องจากส่งผลเสียต่อการทำงานของอนุภาคนาโน

ในปี 1997 Finke และ Watzky ได้เสนอแบบจำลองจลนศาสตร์ใหม่สำหรับการก่อตัวและการเติบโตของอนุภาคนาโน แบบจำลอง 2 ขั้นตอนนี้ชี้ให้เห็นว่าการก่อตัวที่ช้าอย่างต่อเนื่อง (เกิดขึ้นห่างไกลจากภาวะอิ่มตัวยิ่งยวด) ตามมาด้วยการเติบโตแบบเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเอง ซึ่งการกระจายตัวของอนุภาคนาโนจะถูกกำหนดเป็นส่วนใหญ่ แบบจำลอง 2 ขั้นตอนของ FW (Finke-Watzky) นี้ให้พื้นฐานเชิงกลไกที่มั่นคงยิ่งขึ้นสำหรับการออกแบบอนุภาคนาโนโดยมุ่งเน้นที่การควบคุมขนาด รูปร่าง และการกระจายตัว^{[ 44 ] [ 47 ]}ต่อมาแบบจำลองนี้ได้รับการขยายเป็นแบบจำลอง 3 ขั้นตอนและแบบจำลอง 4 ขั้นตอนสองแบบระหว่างปี 2004 ถึง 2008 ในที่นี้ได้มีการเพิ่มขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่ออธิบายการรวมตัวของอนุภาคขนาดเล็ก ซึ่งอนุภาคขนาดเล็กสองอนุภาคสามารถรวมตัวกันเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นได้^{[ 51 ]}ต่อมาได้มีการเพิ่มขั้นตอนที่สี่ (ขั้นตอนการเร่งปฏิกิริยาด้วยตนเองอีกขั้นตอนหนึ่ง) เพื่ออธิบายการรวมตัวของอนุภาคขนาดเล็กกับอนุภาคขนาดใหญ่^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}ในที่สุดในปี 2014 ได้มีการพิจารณาขั้นตอนที่สี่ทางเลือกที่คำนึงถึงการเติบโตของพื้นผิวอะตอมบนอนุภาคขนาดใหญ่^{[ 55 ]}

ณ ปี 2014 ทฤษฎีการเกิดนิวเคลียสแบบคลาสสิกอธิบายว่าอัตราการเกิดนิวเคลียสจะสอดคล้องกับแรงขับเคลื่อน วิธีหนึ่งในการวัดอัตราการเกิดนิวเคลียสคือวิธีเวลาเหนี่ยวนำ กระบวนการนี้ใช้ลักษณะสุ่มของการเกิดนิวเคลียสและกำหนดอัตราการเกิดนิวเคลียสโดยการวิเคราะห์เวลาระหว่างความอิ่มตัวยิ่งยวดคงที่และเมื่อตรวจพบผลึกเป็นครั้งแรก^{[ 56 ]}อีกวิธีหนึ่งรวมถึงแบบจำลองการกระจายความน่าจะเป็น ซึ่งคล้ายกับวิธีการที่ใช้ในการศึกษาของเหลวที่เย็นยิ่งยวด โดยที่ความน่าจะเป็นของการพบนิวเคลียสอย่างน้อยหนึ่งตัวในเวลาที่กำหนดจะถูกหามา

ณ ปี 2019 ขั้นตอนเริ่มต้นของการเกิดนิวเคลียสและอัตราที่เกี่ยวข้องกับการเกิดนิวเคลียสได้รับการจำลองผ่านการสร้างแบบจำลองการคำนวณแบบหลายระดับ ซึ่งรวมถึงการสำรวจแบบจำลองสมการอัตราจลนศาสตร์ที่ได้รับการปรับปรุงและการศึกษาฟังก์ชันความหนาแน่นโดยใช้แบบจำลองผลึกเฟสฟิลด์^{[ 57 ]}

คุณสมบัติของวัสดุในรูปแบบอนุภาคนาโนนั้นแตกต่างจากวัสดุขนาดใหญ่อย่างเห็นได้ชัด แม้ว่าจะแบ่งเป็นอนุภาคขนาดไมโครเมตรก็ตาม^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]}คุณสมบัติเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดจากการจำกัดพื้นที่ของอนุภาคย่อยอะตอม (เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน โฟตอน) และสนามไฟฟ้าโดยรอบอนุภาคเหล่านี้ อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูงก็เป็นปัจจัยสำคัญในระดับนี้เช่นกัน^{[ 13 ]}

ขั้นตอนการเกิดนิวเคลียสเริ่มต้นของกระบวนการสังเคราะห์มีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติของอนุภาคนาโน ตัวอย่างเช่น การเกิดนิวเคลียสมีความสำคัญต่อขนาดของอนุภาคนาโน รัศมีวิกฤตจะต้องเกิดขึ้นในขั้นตอนเริ่มต้นของการก่อตัวของของแข็ง มิฉะนั้นอนุภาคจะละลายกลับเข้าไปในเฟสของเหลว^{[ 61 ]}รูปร่างสุดท้ายของอนุภาคนาโนก็ถูกควบคุมโดยการเกิดนิวเคลียสเช่นกัน สัณฐานวิทยาขั้นสุดท้ายที่เป็นไปได้ที่เกิดจากการเกิดนิวเคลียสอาจรวมถึงอนุภาคทรงกลม ทรงลูกบาศก์ คล้ายเข็ม คล้ายหนอน และอื่นๆ^{[ 44 ]}การเกิดนิวเคลียสสามารถควบคุมได้โดยส่วนใหญ่ด้วยเวลาและอุณหภูมิ เช่นเดียวกับความอิ่มตัวยิ่งยวดของเฟสของเหลวและสภาพแวดล้อมโดยรวมของการสังเคราะห์^{[ 62 ]}

วัสดุขนาดใหญ่ (>100 นาโนเมตร) คาดว่าจะมีคุณสมบัติทางกายภาพคงที่ (เช่น การนำ ความร้อนและการนำไฟฟ้าความแข็งความหนาแน่นและความหนืด ) โดยไม่คำนึงถึงขนาด อย่างไรก็ตาม สำหรับอนุภาคนาโนนั้นแตกต่างออกไป ปริมาตรของชั้นผิว (กว้างเพียงไม่กี่เส้นผ่านศูนย์กลางอะตอม) กลายเป็นสัดส่วนที่สำคัญของปริมาตรของอนุภาค ในขณะที่สัดส่วนนั้นไม่มีนัยสำคัญสำหรับอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งไมโครเมตรขึ้นไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติบางอย่างของอนุภาคนาโนอย่างเด่นชัดกว่าในอนุภาคขนาดใหญ่^{[ 13 ]}

สำหรับอนุภาคนาโนที่กระจายตัวอยู่ในตัวกลางที่มีองค์ประกอบต่างกัน ชั้นอินเตอร์เฟซ — ซึ่งเกิดจากไอออนและโมเลกุลจากตัวกลางที่อยู่ห่างจากพื้นผิวของแต่ละอนุภาคเพียงไม่กี่เส้นผ่านศูนย์กลางอะตอม — สามารถปกปิดหรือเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของอนุภาคได้ อันที่จริง ชั้นดังกล่าวสามารถถือได้ว่าเป็นส่วนสำคัญของอนุภาคนาโนแต่ละอนุภาค^{[ 6 ]}

การแขวนลอยของอนุภาคนาโนเป็นไปได้ เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างพื้นผิวของอนุภาคกับตัวทำละลายมีความแข็งแรงมากพอที่จะเอาชนะ ความแตกต่าง ของความหนาแน่นซึ่งโดยปกติแล้วจะส่งผลให้วัสดุจมหรือลอยอยู่ในของเหลว

อนุภาคนาโนมักเกิดหรือได้รับสารเคลือบจากสารอื่นๆ ที่แตกต่างจากทั้งวัสดุของอนุภาคและตัวกลางโดยรอบ แม้ว่าสารเคลือบเหล่านี้จะมีความหนาเพียงโมเลกุลเดียว แต่ก็สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของอนุภาคได้อย่างมาก เช่น ปฏิกิริยาทางเคมี กิจกรรมเร่งปฏิกิริยา และความเสถียรในสารละลายแขวนลอย

พื้นที่ผิวสูงของวัสดุในรูปอนุภาคนาโนช่วยให้ความร้อน โมเลกุล และไอออนสามารถแพร่เข้าหรือออกจากอนุภาคได้ในอัตราที่สูงมาก ในทางกลับกัน เส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคที่เล็กช่วยให้วัสดุทั้งหมดเข้าสู่สมดุลที่เป็นเนื้อเดียวกันในแง่ของการแพร่ได้ในเวลาอันสั้นมาก ดังนั้นกระบวนการหลายอย่างที่ขึ้นอยู่กับการแพร่ เช่นการเผาผนึกจึงสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าและในระยะเวลาที่สั้นกว่า ซึ่งอาจมีความสำคัญในกระบวนการเร่งปฏิกิริยา

ขนาดที่เล็กของอนุภาคนาโนส่งผลต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กและไฟฟ้าวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกในช่วงไมโครเมตรเป็นตัวอย่างที่ดี: ใช้กันอย่างแพร่หลายใน สื่อ บันทึกแม่เหล็กเนื่องจากความเสถียรของสถานะแม่เหล็ก อนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า 10 นาโนเมตรจึงไม่เสถียรและสามารถเปลี่ยนสถานะ (พลิกกลับ) อันเป็นผลมาจากพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิปกติ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานดังกล่าว^{[ 63 ]}

ความเข้มข้น ของช่องว่างที่ลดลงในนาโนคริสตัลอาจส่งผลเสียต่อการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันเนื่องจากดิสโลเคชันต้องอาศัยการเคลื่อนย้ายของช่องว่าง นอกจากนี้ ยังมีแรงดันภายในสูงมากเนื่องจากความเครียดที่พื้นผิวในอนุภาคนาโนขนาดเล็กที่มีรัศมีโค้งสูง^{[ 64 ]}ซึ่งทำให้เกิดความเครียด ของ แลตติส ที่แปรผกผันกับขนาดของอนุภาค^{[ 65 ]}ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าขัดขวางการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในการเพิ่มความแข็งของวัสดุ^{[ 66 ]}ตัวอย่างเช่นอนุภาคนาโนทองคำมีความแข็งกว่าวัสดุที่เป็นก้อน อย่างมาก ^{[ 67 ]}ยิ่งไปกว่านั้น อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูงในอนุภาคนาโนทำให้ดิสโลเคชันมีแนวโน้มที่จะโต้ตอบกับพื้นผิวของอนุภาคมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สิ่งนี้ส่งผลต่อลักษณะของแหล่งกำเนิดดิสโลเคชันและทำให้ดิสโลเคชันหลุดออกจากอนุภาคก่อนที่จะเพิ่มจำนวน ลดความหนาแน่นของดิสโลเคชันและลดขอบเขตของ การ เสียรูปพลาสติก^{[ 68 ] [ 69 ]}

การวัดคุณสมบัติทางกลในระดับนาโนนั้นมีความท้าทายเฉพาะตัว เนื่องจากไม่สามารถใช้วิธีการทั่วไป เช่นเครื่องทดสอบอเนกประสงค์ได้ดังนั้นจึงมีการพัฒนา เทคนิคใหม่ๆ เช่น การกดแบบนาโน (nanoindentation) ซึ่งช่วยเสริม วิธีการกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและหัววัดแบบสแกน ที่มีอยู่ ^{[ 70 ]}กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) สามารถใช้ในการกดแบบนาโนเพื่อวัดความแข็งค่าโมดูลัสยืดหยุ่นและการยึดเกาะระหว่างอนุภาคนาโนกับพื้นผิว^{[ 71 ]}สามารถวัดการเสียรูปของอนุภาคได้โดยการเบี่ยงเบนของปลายคานเหนือตัวอย่าง เส้นโค้งแรง-การกระจัดที่ได้สามารถใช้ในการคำนวณค่าโมดูลัสยืดหยุ่นได้^{[ 72 ]}อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่าขนาดอนุภาคและความลึกของการกดมีผลต่อค่าโมดูลัสยืดหยุ่นของอนุภาคนาโนที่วัดได้ด้วย AFM หรือไม่^{[ 72 ]}

แรง ยึดเกาะและ แรง เสียดทานเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาในการผลิตระดับนาโน การหล่อลื่น การออกแบบอุปกรณ์ การรักษาเสถียรภาพของคอลลอยด์ และการส่งยา^{[ 71 ]}แรงคาปิลลารีเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดแรงยึดเกาะภายใต้สภาวะแวดล้อม^{[ 73 ]}สามารถหาแรงยึดเกาะและแรงเสียดทานได้จากการเบี่ยงเบนของคานยื่น หากถือว่าปลาย AFM เป็นอนุภาคนาโน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อจำกัดด้านวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตของปลาย^{[ 74 ]}เทคนิคโพรบคอลลอยด์ช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ได้โดยการติดอนุภาคนาโนเข้ากับปลาย AFM ทำให้สามารถควบคุมขนาด รูปร่าง และวัสดุได้^{[ 75 ]}แม้ว่าเทคนิคโพรบคอลลอยด์จะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการวัดแรงยึดเกาะ แต่ก็ยังคงยากที่จะติดอนุภาคนาโนเดี่ยวที่มีขนาดเล็กกว่า 1 ไมครอนเข้ากับเซ็นเซอร์วัดแรง AFM ^{[ 75 ]}

เทคนิคอีกอย่างหนึ่งคือin situ TEMซึ่งให้ภาพความละเอียดสูงแบบเรียลไทม์ของการตอบสนองของโครงสร้างนาโนต่อสิ่งเร้า ตัวอย่างเช่น ตัวยึดหัววัดแรงแบบ in situใน TEM ถูกใช้เพื่อบีบอัด อนุภาคนาโน แฝดและกำหนดลักษณะความแข็งแรงของจุด คราก ^{[ 76 ]}โดยทั่วไป การวัดคุณสมบัติทางกลของอนุภาคนาโนได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย รวมถึงการกระจายตัวของอนุภาคนาโนอย่างสม่ำเสมอ การใช้แรงอย่างแม่นยำ การเสียรูปของอนุภาคให้น้อยที่สุด การสอบเทียบ และแบบจำลองการคำนวณ^{[ 71 ]}

เช่นเดียวกับวัสดุขนาดใหญ่ คุณสมบัติของอนุภาคนาโนขึ้นอยู่กับวัสดุ สำหรับอนุภาคนาโนพอลิเมอร์ทรง กลม อุณหภูมิ การเปลี่ยนสถานะแก้วและความเป็นผลึกอาจส่งผลต่อการเสียรูปและเปลี่ยนแปลงโมดูลัสความยืดหยุ่นเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุขนาดใหญ่^{[ 71 ]}อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมของโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ขึ้นอยู่กับขนาดไม่สามารถสรุปได้ทั่วไปในพอลิเมอร์ทุกชนิด^{[ 71 ]}สำหรับอนุภาคนาโนโลหะ ผลึก พบว่า การเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกลของอนุภาคนาโน ซึ่งขัดแย้งกับมุมมองทั่วไปที่ว่าไม่มีการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันในอนุภาคนาโนผลึก^{[ 71 ]}

วัสดุอาจมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าในรูปแบบอนุภาคนาโนเมื่อเทียบกับรูปแบบที่เป็นก้อน ตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโนทองคำขนาด 2.5 นาโนเมตรหลอมเหลวที่อุณหภูมิประมาณ 300 °C ในขณะที่ทองคำที่เป็นก้อนหลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1064 °C ^{[ 77 ]}

ผลกระทบ ของกลศาสตร์ควอนตัมจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนสำหรับวัตถุขนาดนาโน^{[ 78 ]}ซึ่งรวมถึงการกักขังควอนตัมในอนุภาคเซมิคอนดักเตอร์พลาสมอนพื้นผิวเฉพาะที่^{[ 78 ]}ในอนุภาคโลหะบางชนิด และซูเปอร์พาราแมกเนติซึมในวัสดุแม่เหล็กจุดควอนตัมเป็นอนุภาคนาโนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดเล็กพอ (โดยทั่วไปต่ำกว่า 10 นาโนเมตร) ที่จะมีระดับพลังงาน อิเล็กตรอนแบบควอนตั ม

ผลกระทบควอนตัมเป็นสาเหตุของสีแดงเข้มถึงดำของ ผงนาโน ทองคำหรือซิลิคอนและสารแขวนลอยของอนุภาคนาโน^{[ 77 ]}การดูดซับรังสีแสงอาทิตย์จะสูงกว่ามากในวัสดุที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนเมื่อเทียบกับฟิล์มบางของแผ่นวัสดุต่อเนื่อง ในการใช้งานทั้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบPVและพลังงานแสงอาทิตย์ความร้อนการควบคุมขนาด รูปร่าง และวัสดุของอนุภาคทำให้สามารถควบคุมการดูดซับแสงอาทิตย์ได้^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

อนุภาคนาโนแบบแกนและเปลือกสามารถรองรับทั้งการสั่นพ้องทางไฟฟ้าและทางแม่เหล็กได้พร้อมกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติใหม่ทั้งหมดเมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคนาโนโลหะเปล่า หากการสั่นพ้องได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม^{[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]}การก่อตัวของโครงสร้างแกนและเปลือกจากโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างแกนและเปลือก ซึ่งมักพบในอนุภาคนาโนแบบอัพคอนเวอร์ติงและอนุภาคนาโนแบบดาวน์คอนเวอร์ติง และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมความยาวคลื่นการปล่อย^{[ 86 ]}

โดยการนำชั้นไดอิเล็กทริกเข้ามา อนุภาคนาโนแกนพลาสมอนิก (โลหะ)-เปลือก (ไดอิเล็กทริก) จะเพิ่มการดูดซับแสงโดยการเพิ่มการกระเจิง เมื่อเร็ว ๆ นี้ อนุภาคนาโนแกนโลหะ-เปลือกไดอิเล็กทริกได้แสดงให้เห็นถึงการกระเจิงย้อนกลับเป็นศูนย์พร้อมกับการกระเจิงไปข้างหน้าที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวซิลิคอนเมื่อพลาสมอนพื้นผิวอยู่ด้านหน้าเซลล์แสงอาทิตย์^{[ 87 ]}

อนุภาคนาโนที่มีขนาดสม่ำเสมอเพียงพออาจเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบโดยธรรมชาติ ก่อให้เกิดผลึกคอลลอยด์การเรียงตัวเหล่านี้อาจแสดงคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ เช่นที่พบในผลึกโฟตอนิก^{[ 88 ] [ 89 ]}

อนุภาคนาโนเทียมสามารถสร้างขึ้นจากวัสดุของแข็งหรือของเหลวใดๆ ก็ได้ รวมถึงโลหะไดอิเล็กทริกและสารกึ่งตัวนำอาจมีโครงสร้างภายในที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือต่างเนื้อเดียวกัน เช่น โครงสร้างแบบแกนและเปลือก^{[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 90 ]}

มีหลายวิธีในการสร้างอนุภาคนาโน ได้แก่การควบแน่นของแก๊สการเสียดสีการตกตะกอนทางเคมี^{[ 91 ]}การฝังไอออนการไพโรไลซิสการสังเคราะห์ ด้วยความร้อน และการสังเคราะห์ทางชีวภาพ^{[ 92 ]}

อนุภาคของแข็งขนาดมหภาคหรือจุลภาคที่เปราะบางสามารถบดได้ในเครื่องบดลูกบอลเครื่องบดลูกบอลแบบดาวเคราะห์หรือกลไกการลดขนาดอื่นๆ จนกระทั่งมีอนุภาคขนาดนาโนมากพอ ผงที่ได้สามารถแยกอนุภาคนาโนโดยใช้การคัดแยกด้วยอากาศ^{[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]}

พอลิเมอร์ชีวภาพ เช่นเซลลูโลสลิกนินไคตินหรือแป้งสามารถย่อยสลายเป็นหน่วยย่อยระดับนาโนได้ โดยจะได้อนุภาค นาโน ที่มีรูปร่างเป็นเส้นใยหรือเข็มที่ไม่สมมาตร พอลิเมอร์ชีวภาพเหล่านี้จะถูกย่อยสลายด้วยวิธีการทางกลร่วมกับการออกซิเดชัน ทางเคมี หรือ การบำบัด ด้วยเอนไซม์เพื่อส่งเสริมการแตกตัว หรือถูกไฮโดรไลซิสโดย ใช้กรด

อีกวิธีหนึ่งในการสร้างนาโนอนุภาคคือการเปลี่ยนสารตั้งต้นที่เหมาะสม เช่น ก๊าซ (เช่น มีเทน) หรือละอองลอยให้กลายเป็นอนุภาคของแข็งโดยการเผาไหม้หรือการไพโรไลซิสนี่เป็นการขยายความของการเผาไหม้ไฮโดรคาร์บอนหรือไอระเหยอินทรีย์อื่นๆ เพื่อสร้างเขม่าการไพโรไลซิสแบบดั้งเดิมมักส่งผลให้เกิดกลุ่มก้อนและการจับตัวกันเป็นก้อนมากกว่าอนุภาคปฐมภูมิเดี่ยวๆ ข้อเสียนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดย การไพโรไลซิส แบบพ่นด้วยหัวฉีดอัลตราโซนิกซึ่งของเหลวตั้งต้นจะถูกดันผ่านรูด้วยแรงดันสูง

อนุภาคนาโนของโลหะบริสุทธิ์ออกไซด์คาร์ไบด์และไนไตรด์ [ ^{96 ] สามารถ}สร้างได้โดยการระเหยสารตั้งต้นที่เป็นของแข็งด้วยพลาสมาความร้อนจากนั้นควบแน่นไอโดยการขยายตัวหรือทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วในก๊าซหรือของเหลวที่เหมาะสม พลาสมาสามารถผลิตได้โดยใช้ เจ็ ทกระแสตรงอาร์คไฟฟ้าหรือการเหนี่ยวนำความถี่วิทยุ (RF)พลาสมาความร้อนสามารถเข้าถึงอุณหภูมิได้ถึง 10,000 K และด้วยเหตุนี้จึงสามารถสังเคราะห์ผงนาโนที่มีจุดเดือดสูงมากได้เช่นกัน ลวดโลหะสามารถระเหยได้โดยวิธีลวดระเบิด

ในหัวเผาพลาสมาแบบเหนี่ยวนำ RF การส่งพลังงานไปยังพลาสมาเกิดขึ้นผ่านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยขดลวดเหนี่ยวนำ ก๊าซพลาสมาจะไม่สัมผัสกับอิเล็กโทรด จึงช่วยขจัดแหล่งที่มาของการปนเปื้อนและทำให้สามารถใช้งานหัวเผาพลาสมาดังกล่าวได้กับก๊าซหลากหลายชนิด รวมถึงก๊าซเฉื่อย ก๊าซรีดิวซ์ ก๊าซออกซิไดซ์ และบรรยากาศกัดกร่อนอื่นๆ ความถี่ในการทำงานโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 200 kHz ถึง 40 MHz หน่วยในห้องปฏิบัติการทำงานที่ระดับพลังงานประมาณ 30–50 kW ในขณะที่หน่วยอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ได้รับการทดสอบที่ระดับพลังงานสูงถึง 1 MW เนื่องจากระยะเวลาที่หยดสารป้อนที่ฉีดเข้าไปอยู่ในพลาสมานั้นสั้นมาก จึงเป็นสิ่งสำคัญที่ขนาดของหยดสารป้อนจะต้องมีขนาดเล็กพอเพื่อให้เกิดการระเหยอย่างสมบูรณ์

การควบแน่นของก๊าซเฉื่อยถูกใช้บ่อยครั้งในการผลิตอนุภาคนาโนโลหะ โลหะจะระเหยในห้องสุญญากาศที่มีบรรยากาศลดลงของก๊าซเฉื่อย^{[ 97 ]}การควบแน่นของไอโลหะที่อิ่มตัวเกินส่งผลให้เกิดอนุภาคขนาดนาโนเมตร ซึ่งสามารถถูกดึงไปในกระแสของก๊าซเฉื่อยและตกตะกอนบนพื้นผิวหรือศึกษาในสถานที่ การศึกษาในยุคแรกๆ นั้นอิงตามการระเหยด้วยความร้อน^{[ 97 ]}การใช้แมกเนตรอนสปัตเตอริงเพื่อสร้างไอโลหะช่วยให้ได้ผลผลิตที่สูงขึ้น^{[ 98 ]}วิธีนี้สามารถนำไปใช้กับอนุภาคนาโนโลหะผสมได้อย่างง่ายดายโดยการเลือกเป้าหมายโลหะที่เหมาะสม การใช้แผนการเติบโตแบบต่อเนื่อง โดยที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่านไอโลหะที่สอง ส่งผลให้เกิดการเติบโตของโครงสร้างแกน-เปลือก (CS) ^{[ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 90 ]}

อนุภาคนาโนสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้เคมีรังสีการสลายตัวด้วยรังสีแกมมาสามารถสร้างอนุมูลอิสระ ที่มีฤทธิ์สูง ในสารละลาย เทคนิคที่ค่อนข้างง่ายนี้ใช้สารเคมีจำนวนน้อย ได้แก่ น้ำ เกลือโลหะที่ละลายได้ สารดักจับอนุมูลอิสระ (มักเป็นแอลกอฮอล์รอง) และสารลดแรงตึงผิว (สารเคลือบผิวอินทรีย์) ต้องใช้รังสีแกมมาในปริมาณสูงประมาณ 10⁴ เกรย์^ในกระบวนการนี้ อนุมูลรีดิวซ์จะทำให้ไอออนโลหะลดลงไปอยู่ในสถานะวาเลนซ์ศูนย์ สารเคมีดักจับจะทำปฏิกิริยากับอนุมูลออกซิไดซ์เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันซ้ำของโลหะ เมื่ออยู่ในสถานะวาเลนซ์ศูนย์ อะตอมของโลหะจะเริ่มรวมตัวกันเป็นอนุภาค สารลดแรงตึงผิวทางเคมีจะล้อมรอบอนุภาคในระหว่างการก่อตัวและควบคุมการเจริญเติบโต ในความเข้มข้นที่เพียงพอ โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะเกาะติดกับอนุภาค ป้องกันไม่ให้แตกตัวหรือรวมกลุ่มกับอนุภาคอื่น การสร้างอนุภาคนาโนโดยใช้วิธีการเรดิโอไลซิสช่วยให้สามารถปรับแต่งขนาดและรูปร่างของอนุภาคได้โดยการปรับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและปริมาณรังสีแกมมา^{[ 103 ]}

อนุภาคนาโนของวัสดุบางชนิดสามารถสร้างขึ้นได้โดยกระบวนการทางเคมีแบบ "เปียก" ซึ่งสารละลายของสารประกอบที่เหมาะสมจะถูกผสมหรือบำบัดด้วยวิธีอื่นเพื่อสร้างตะกอน ที่ไม่ละลาย ของวัสดุที่ต้องการ ขนาดของอนุภาคของวัสดุดังกล่าวจะถูกปรับโดยการเลือกความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอุณหภูมิของสารละลาย และโดยการเติมสารเฉื่อยที่เหมาะสมซึ่งส่งผลต่อความหนืดและอัตราการแพร่ของของเหลว ด้วยพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน กระบวนการทั่วไปเดียวกันอาจให้โครงสร้างระดับนาโนอื่นๆ ของวัสดุเดียวกัน เช่นแอโรเจลและเครือข่ายที่มีรูพรุนอื่นๆ^{[ 104 ]}

อนุภาคนาโนที่เกิดขึ้นจากวิธีนี้จะถูกแยกออกจากตัวทำละลายและผลพลอยได้ที่ละลายได้ของปฏิกิริยาโดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่นการระเหยการตกตะกอนการปั่นเหวี่ยง การล้าง และการกรองหรืออีกทางเลือกหนึ่ง หากต้องการให้อนุภาคตกตะกอนบนพื้นผิวของวัสดุแข็ง สามารถนำสารละลายเริ่มต้นไปเคลือบลงบนพื้นผิวนั้นโดยวิธีการจุ่มหรือการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยงและทำการทดลองปฏิกิริยาบน พื้นผิวนั้นได้เลย

การตกตะกอนแบบไร้ไฟฟ้าให้โอกาสพิเศษในการปลูกอนุภาคนาโนบนพื้นผิวโดยไม่จำเป็นต้องใช้การเคลือบแบบหมุน การตกตะกอนด้วยไฟฟ้า หรือการตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพที่มีราคาแพง กระบวนการตกตะกอนแบบไร้ไฟฟ้าสามารถสร้างสารแขวนลอยคอลลอยด์ การตกตะกอนโลหะเร่งปฏิกิริยาหรือโลหะออกไซด์ สารแขวนลอยของอนุภาคนาโนที่ได้จากกระบวนการนี้เป็นตัวอย่างของคอลลอยด์ตัวอย่างทั่วไปของวิธีนี้คือการผลิตอนุภาคนาโนโลหะออกไซด์หรือไฮดรอกไซด์โดยการไฮโดรไลซิสของโลหะอัลคอกไซด์และคลอไรด์^{[ 105 ] [ 4 ]}

นอกจากจะราคาถูกและสะดวกแล้ว วิธีการทางเคมีแบบเปียกยังช่วยให้สามารถควบคุมองค์ประกอบทางเคมีของอนุภาคได้อย่างละเอียด แม้แต่สารเจือปนในปริมาณเล็กน้อย เช่น สีย้อมอินทรีย์และโลหะหายาก ก็สามารถนำมาผสมในสารละลายรีเอเจนต์และกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายได้^{[ 106 ] [ 107 ]}

การฝังไอออนอาจใช้ในการปรับสภาพพื้นผิวของวัสดุไดอิเล็กทริก เช่น แซฟไฟร์และซิลิกา เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิตที่มีการกระจายตัวของอนุภาคนาโนโลหะหรือออกไซด์ใกล้พื้นผิว

คุณสมบัติหลายประการของอนุภาคนาโน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเสถียร ความสามารถในการละลาย และกิจกรรมทางเคมีหรือชีวภาพ สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากโดยการเคลือบด้วยสารต่างๆ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เกิดฟังก์ชัน (functionalization ) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้พื้นฐานจากวัสดุนาโนที่ผ่านการทำให้เกิดฟังก์ชันแล้วสามารถนำมาใช้ในการเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์หลายชนิดที่รู้จักกันดีได้

ตัวอย่างเช่น สารแขวนลอยของ อนุภาค กราฟีนสามารถทำให้เสถียรได้ด้วยการเติมหมู่ ฟังก์ชัน กรดแกลลิก^{[ 108 ]}

สำหรับการใช้งานทางชีววิทยา การเคลือบผิวควรเป็นแบบมีขั้วเพื่อให้ละลายน้ำได้สูงและป้องกันการรวมตัวของอนุภาคนาโน ในซีรั่มหรือบนพื้นผิวเซลล์ การเคลือบที่มีประจุสูงจะส่งเสริมการจับแบบไม่จำเพาะ ในขณะที่โพลีเอทิลีนไกลคอลที่เชื่อมต่อกับหมู่ไฮดรอกซิลหรือเมทอกซีที่ปลายจะขับไล่ปฏิกิริยาที่ไม่จำเพาะ^{[ 109 ] [ 110 ]}โดยการตรึงหมู่ไทออลบนพื้นผิวของอนุภาคนาโนหรือโดยการเคลือบด้วยไทโอเมอ ร์ สามารถเพิ่มคุณสมบัติการยึดเกาะ (เยื่อเมือก) และการดูดซึมของเซลล์ได้สูง^{[ 111 ]}

อนุภาคนาโนสามารถเชื่อมโยงกับโมเลกุลทางชีวภาพที่ทำหน้าที่เป็นแท็กระบุตำแหน่ง โดยนำทางไปยังตำแหน่งเฉพาะภายในร่างกาย^{[ 112 ]}ออร์แกเนลล์เฉพาะภายในเซลล์^{[ 113 ]}หรือทำให้ติดตามการเคลื่อนไหวของโมเลกุลโปรตีนหรือ RNA แต่ละตัวในเซลล์ที่มีชีวิต^{[ 114 ]}แท็กระบุตำแหน่งทั่วไป ได้แก่แอนติบอดีโมโนโคลนอลแอพทาเมอร์ สเตรปตาไวดีนหรือเปปไทด์ตัวแทนเป้าหมายเหล่านี้ควรเชื่อมโยงกับอนุภาคนาโนด้วยพันธะโควาเลนต์ และควรมีจำนวนที่ควบคุมได้ต่ออนุภาคนาโน อนุภาคนาโนแบบหลายวาเลนต์ที่มีกลุ่มเป้าหมายหลายกลุ่ม สามารถรวมกลุ่มตัวรับ ซึ่งสามารถกระตุ้นเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์ และให้การยึดเกาะที่แข็งแรงกว่า อนุภาคนาโนแบบวาเลนต์เดียวที่มีตำแหน่งการจับเพียงตำแหน่งเดียว^{[ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]}หลีกเลี่ยงการรวมกลุ่ม ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมมากกว่าสำหรับการติดตามพฤติกรรมของโปรตีนแต่ละตัว

มีการแสดงให้เห็นว่ากิจกรรมเร่งปฏิกิริยาและอัตราการเผาผนึกของตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาคนาโนที่มีฟังก์ชันการทำงานมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของจำนวนอนุภาคนาโน^{[ 118 ]}

สารเคลือบที่เลียนแบบสารเคลือบของเซลล์เม็ดเลือดแดงสามารถช่วยให้อนุภาคนาโนหลบเลี่ยงระบบภูมิคุ้มกันได้^{[ 119 ]}

กระบวนการทางเคมีและการสังเคราะห์ชิ้นส่วนเทคโนโลยีประสิทธิภาพสูงสำหรับภาคเอกชน อุตสาหกรรม และการทหาร จำเป็นต้องใช้เซรามิก ที่มีความบริสุทธิ์สูง ( เซรามิกออกไซด์เช่นอะลูมิเนียมออกไซด์หรือคอปเปอร์(II)ออกไซด์ ) โพลิเมอร์ เซรามิ กแก้วและวัสดุคอมโพสิตเช่นโลหะคาร์ไบด์ ( SiC ) ไนไตรด์ ( อะลูมิเนียมไนไตรด์ซิลิคอนไนไตรด์ ) โลหะ ( Al , Cu ) อโลหะ ( กราไฟต์ท่อนาโนคาร์บอน ) และวัสดุแบบชั้น ( Al + อะลูมิเนียมคาร์บอเนต , Cu + C) ในวัสดุอัดขึ้นรูปจากผงละเอียด ขนาดและรูปร่างของอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอในผงทั่วไปมักนำไปสู่โครงสร้างการบรรจุที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้ความหนาแน่นของการบรรจุในวัสดุอัดขึ้นรูปจากผงแตกต่างกันไป

การรวมตัวกัน ของผง ที่ไม่สามารถควบคุมได้เนื่องจากแรงดึงดูดของแวนเดอร์วาลส์อาจทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาคได้ ความเครียดที่แตกต่างกันซึ่งเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการหดตัวจากการอบแห้งที่ไม่สม่ำเสมอมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราที่ สามารถกำจัด ตัวทำละลายได้ และขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของรูพรุน เป็นอย่างมาก ความเครียดดังกล่าวมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนจากพลาสติกเป็นเปราะในเนื้อวัสดุที่แข็งตัวแล้ว และอาจนำไปสู่การแพร่กระจายของรอยแตกในเนื้อวัสดุที่ยังไม่ผ่านการเผาหากไม่ได้รับการบรรเทา^{[ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]}

นอกจากนี้ ความผันผวนใดๆ ในความหนาแน่นของการบรรจุในวัสดุอัดแน่นขณะเตรียมสำหรับเตาเผา มักจะถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นในระหว่าง กระบวนการ เผาผนึกส่งผลให้เกิดการอัดแน่นที่ไม่สม่ำเสมอ รูพรุนและข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่น ได้แสดงให้เห็นว่ามีบทบาทที่เป็นอันตรายในกระบวนการเผาผนึกโดยการเติบโตและจำกัดความหนาแน่นสุดท้าย ความเครียดที่แตกต่างกันซึ่งเกิดจากการอัดแน่นที่ไม่สม่ำเสมอ ยังแสดงให้เห็นว่าส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของรอยแตกภายใน จึงกลายเป็นข้อบกพร่องที่ควบคุมความแข็งแรง^{[ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]}

การระเหยของก๊าซเฉื่อยและการตกตะกอนของก๊าซเฉื่อย^{[ 30 ] [ 31 ]}ปราศจากข้อบกพร่องเหล่านี้หลายประการเนื่องจากลักษณะการกลั่น (เทียบกับการทำให้บริสุทธิ์) ของกระบวนการและมีเวลาเพียงพอในการสร้างอนุภาคผลึกเดี่ยว อย่างไรก็ตาม แม้แต่การตกตะกอนที่ไม่รวมตัวกันก็ยังมี การกระจายขนาดแบบลอการิท มิกปกติซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของอนุภาคนาโน^{[ 31 ]}เหตุผลที่เทคนิคการระเหยของก๊าซสมัยใหม่สามารถสร้างการกระจายขนาดที่ค่อนข้างแคบได้ก็คือสามารถหลีกเลี่ยงการรวมตัวกันได้^{[ 31 ]}อย่างไรก็ตาม แม้ในกรณีนี้ เวลาการอยู่อาศัยแบบสุ่มในโซนการเติบโต เนื่องจากการรวมกันของการดริฟต์และการแพร่กระจาย ส่งผลให้การกระจายขนาดปรากฏเป็นแบบลอการิทมิกปกติ^{[ 32 ]}

ดังนั้น จึงดูเหมือนว่าควรแปรรูปวัสดุในลักษณะที่ทำให้วัสดุมีความสม่ำเสมอทางกายภาพในแง่ของการกระจายตัวของส่วนประกอบและความพรุน มากกว่าที่จะใช้การกระจายขนาดอนุภาคที่จะทำให้ความหนาแน่นสีเขียวสูงสุด การควบคุมการประกอบอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างแน่นแฟ้นที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในสารแขวนลอยนั้น จำเป็นต้องมีการควบคุมแรงระหว่างอนุภาคอย่างสมบูรณ์อนุภาคนาโนและคอลลอยด์แบบโมโนดิส เพิร์สช่วยให้สามารถทำเช่นนั้นได้ ^{[ 126 ]}

อนุภาคนาโนมีข้อกำหนดการวิเคราะห์ที่แตกต่างจากสารเคมี ทั่วไปซึ่งองค์ประกอบทางเคมีและความเข้มข้นก็เพียงพอแล้ว อนุภาคนาโนมีคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ที่ต้องวัดเพื่ออธิบายอย่างครบถ้วน เช่นขนาดรูปร่างคุณสมบัติพื้นผิวความเป็นผลึกและสถานะการกระจายตัวนอกจากนี้ การสุ่มตัวอย่างและขั้นตอนในห้องปฏิบัติการอาจรบกวนสถานะการกระจายตัวหรือทำให้การกระจายตัวของคุณสมบัติอื่นๆ ผิดเพี้ยนไปได้^{[ 127 ] [ 128 ]}ในบริบทด้านสิ่งแวดล้อม ความท้าทายเพิ่มเติมคือ วิธีการหลายวิธีไม่สามารถตรวจจับอนุภาคนาโนที่มีความเข้มข้นต่ำซึ่งอาจยังมีผลเสียได้^{[ 127 ]}สำหรับบางแอปพลิเคชัน อนุภาคนาโนอาจมีลักษณะเฉพาะในเมทริกซ์ที่ซับซ้อน เช่น น้ำ ดิน อาหาร โพลิเมอร์ หมึก สารผสมที่ซับซ้อนของของเหลวอินทรีย์ เช่น ในเครื่องสำอาง หรือเลือด^{[ 129 ] [ 130 ]}

มีวิธีการหลายประเภทโดยรวมที่ใช้ในการจำแนกลักษณะของอนุภาคนาโน วิธีการทาง กล้องจุลทรรศน์สร้างภาพของอนุภาคนาโนแต่ละตัวเพื่อจำแนกลักษณะรูปร่าง ขนาด และตำแหน่งของพวกมันกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนโพรบเป็นวิธีการหลัก เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสงที่มองเห็นได้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลทั่วไปจึงไม่สามารถใช้งานได้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสามารถเชื่อมต่อกับวิธีการทางสเปกโทรสโกปีที่สามารถทำการวิเคราะห์ธาตุได้ วิธีการทางกล้องจุลทรรศน์เป็นการทำลายตัวอย่างและอาจมีแนวโน้มที่จะเกิดสิ่งแปลกปลอม ที่ไม่พึงประสงค์ จากการเตรียมตัวอย่าง หรือจากรูปทรงของปลายโพรบในกรณีของกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนโพรบ นอกจากนี้ กล้องจุลทรรศน์ยังขึ้นอยู่กับการวัดอนุภาคเดี่ยวซึ่งหมายความว่าต้องจำแนกลักษณะของอนุภาคแต่ละตัวจำนวนมากเพื่อประเมินคุณสมบัติโดยรวมของพวกมัน^{[ 127 ] [ 129 ]}

สเปกโทรสโกปีซึ่งวัดปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าตามฟังก์ชันของความยาวคลื่นมีประโยชน์สำหรับอนุภาคนาโนบางประเภทในการระบุความเข้มข้น ขนาด และรูปร่าง สเปก โทรสโกปีแบบเอ็กซ์เรย์อัลตราไวโอเลต- วิสิเบิลอินฟราเรดและนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์สามารถใช้กับอนุภาคนาโนได้^{[ 131 ] [ 127 ] [ 129 ]} วิธีการกระเจิงแสง โดยใช้ แสงเลเซอร์เอ็กซ์เรย์หรือการกระเจิงของนิวตรอนใช้ในการกำหนดขนาดอนุภาค โดยแต่ละวิธีเหมาะสมสำหรับช่วงขนาดและองค์ประกอบของอนุภาคที่แตกต่างกัน^{[ 127 ] [ 129 ]}วิธีการอื่นๆ ได้แก่อิเล็กโทรโฟเรซิสสำหรับประจุพื้นผิววิธี Brunauer–Emmett–Tellerสำหรับพื้นที่ผิว และการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์สำหรับโครงสร้างผลึก^{[ 127 ]}รวมถึงสเปกโทรเมตรีมวลสำหรับมวลอนุภาค และเครื่องนับอนุภาคสำหรับจำนวนอนุภาค^{[ 129 ]} เทคนิคการ โครมาโทกราฟีการปั่นเหวี่ยงและการกรองสามารถใช้แยกอนุภาคนาโนตามขนาดหรือคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ก่อนหรือระหว่างการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะได้^{[ 127 ]}

อนุภาคนาโนก่อให้เกิดอันตรายได้ทั้งทางการแพทย์และสิ่งแวดล้อม^{[ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ]}อันตรายส่วนใหญ่เกิดจากอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูง ซึ่งอาจทำให้อนุภาคมีปฏิกิริยาหรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ [ ^{136 ] นอกจาก}นี้ยังเชื่อกันว่าอนุภาคเหล่านี้จะรวมตัวกันบนชั้นไขมันฟอสโฟลิปิด^{[ 137 ]}และผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ในสิ่งมีชีวิต และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคเหล่านี้กับระบบชีวภาพยังไม่เป็นที่รู้จักมากนัก^{[ 138 ] [ 139 ]}อย่างไรก็ตาม ไม่น่าเป็นไปได้ที่อนุภาคจะเข้าไปในนิวเคลียสของเซลล์ คอมเพล็กซ์กอลจิ เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม หรือส่วนประกอบภายในเซลล์อื่นๆ เนื่องจากขนาดของอนุภาคและการรวมตัวกันระหว่างเซลล์^{[ 140 ]}การศึกษาล่าสุดที่พิจารณาถึงผลกระทบของ อนุภาคนาโน ZnOต่อเซลล์ภูมิคุ้มกันของมนุษย์ พบว่ามีความไวต่อความเป็นพิษในระดับที่แตกต่างกัน^{[ 141 ]}มีข้อกังวลว่าบริษัทเภสัชกรรมที่ต้องการขออนุมัติจากหน่วยงานกำกับดูแลสำหรับการปรับปรุงสูตรยาที่มีอยู่แล้วด้วยนาโนเทคโนโลยีนั้น อาศัยข้อมูลด้านความปลอดภัยที่ได้จากการศึกษาทางคลินิกของยารุ่นก่อนการปรับปรุงสูตร ซึ่งอาจส่งผลให้หน่วยงานกำกับดูแล เช่น FDA พลาดผลข้างเคียงใหม่ๆ ที่เฉพาะเจาะจงกับการปรับปรุงสูตรด้วยนาโนเทคโนโลยี^{[ 142 ]}อย่างไรก็ตาม งานวิจัยจำนวนมากได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนสังกะสีไม่ถูกดูดซึมเข้าสู่กระแสเลือดในร่างกาย^{[ 143 ]}

นอกจากนี้ ยังมีความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบต่อสุขภาพของอนุภาคนาโนที่สามารถหายใจเข้าไปได้จากกระบวนการเผาไหม้บางอย่าง^{[ 144 ] [ 145 ]}การวิจัยก่อนคลินิกแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างนาโนของโลหะมีค่าบางชนิดที่สูดดมหรือฉีดเข้าไปนั้นไม่คงอยู่ในสิ่งมีชีวิต^{[ 146 ] [ 147 ]}ณ ปี 2013 สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกากำลังตรวจสอบความปลอดภัยของอนุภาคนาโนต่อไปนี้: ^{[ 148 ]}

• ท่อนาโนคาร์บอน : วัสดุคาร์บอนมีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่คอมโพสิตสำหรับใช้ในยานพาหนะและอุปกรณ์กีฬา ไปจนถึงวงจรรวมสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัสดุนาโน เช่น ท่อนาโนคาร์บอน และสารอินทรีย์ธรรมชาติ มีอิทธิพลอย่างมากต่อการรวมตัวและการตกตะกอน ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อการขนส่ง การเปลี่ยนแปลง และการสัมผัสในสิ่งแวดล้อมทางน้ำ ในการวิจัยที่ผ่านมา ท่อนาโนคาร์บอนแสดงให้เห็นถึงผลกระทบทางพิษวิทยาบางประการ ซึ่งจะได้รับการประเมินในสภาพแวดล้อมต่างๆ ในการวิจัยความปลอดภัยทางเคมีของ EPA ในปัจจุบัน การวิจัยของ EPA จะให้ข้อมูล แบบจำลอง วิธีการทดสอบ และแนวปฏิบัติที่ดีที่สุด เพื่อค้นหาผลกระทบต่อสุขภาพเฉียบพลันของท่อนาโนคาร์บอน และระบุวิธีการทำนายผลกระทบเหล่านั้น^{[ 148 ]}
• เซเรียมออกไซด์ : เซเรียมออกไซด์ระดับนาโนถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ พลังงาน และสารเติมแต่งเชื้อเพลิง การใช้งานอนุภาคนาโนเซเรียมออกไซด์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมจำนวนมากจะกระจายตัวตามธรรมชาติสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการสัมผัส มีการสัมผัสกับไอเสียดีเซลรูปแบบใหม่ที่ใช้สารเติมแต่งเชื้อเพลิงที่มีอนุภาคนาโน CeO2 อย่างต่อเนื่อง_และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชนจากเทคโนโลยีใหม่นี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด การวิจัยด้านความปลอดภัยทางเคมีของ EPA กำลังประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ระบบนิเวศ และสุขภาพของสารเติมแต่งเชื้อเพลิงดีเซลที่ใช้เทคโนโลยีนาโน^{[ 148 ]}
• ไทเทเนียมไดออกไซด์ : ปัจจุบันมีการใช้นาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ในผลิตภัณฑ์หลายชนิด ขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาค อาจพบได้ในครีมกันแดด เครื่องสำอาง สี และสารเคลือบ นอกจากนี้ยังอยู่ระหว่างการวิจัยเพื่อใช้ในการกำจัดสารปนเปื้อนออกจากน้ำดื่ม^{[ 148 ]}
• นาโนซิลเวอร์ : นาโนซิลเวอร์กำลังถูกนำไปใช้ในสิ่งทอ เสื้อผ้า บรรจุภัณฑ์อาหาร และวัสดุอื่นๆ เพื่อกำจัดแบคทีเรีย EPA และคณะกรรมการความปลอดภัยผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคของสหรัฐฯกำลังศึกษาผลิตภัณฑ์บางอย่างเพื่อดูว่ามีการถ่ายโอนอนุภาคเงินขนาดนาโนในสถานการณ์จริงหรือไม่ EPA กำลังวิจัยหัวข้อนี้เพื่อทำความเข้าใจให้ดียิ่งขึ้นว่าเด็กๆ สัมผัสกับนาโนซิลเวอร์ในสภาพแวดล้อมของพวกเขามากน้อยเพียงใด^{[ 148 ]}
• เหล็ก: ในขณะที่เหล็กขนาดนาโนกำลังถูกตรวจสอบเพื่อการใช้งานหลายอย่าง รวมถึง "ของเหลวอัจฉริยะ" สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่นการขัดเงาเลนส์และเป็นสารเสริมธาตุเหล็ก ที่ดูดซึมได้ดี กว่า การใช้งานที่โดดเด่นอย่างหนึ่งในปัจจุบันคือการกำจัดสารปนเปื้อนจากน้ำใต้ดิน การใช้งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากการวิจัยของ EPA และกำลังอยู่ในขั้นตอนการทดลองใช้งานในหลายพื้นที่ทั่วสหรัฐอเมริกา^{[ 148 ]}

ณ ปี 2016 สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกาได้ขึ้นทะเบียนสารกำจัดศัตรูพืชที่มีนาโนวัสดุเพียงสองชนิดเป็นส่วนประกอบโดยมีเงื่อนไขเป็นระยะเวลาสี่ปี สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมได้แยกความแตกต่างระหว่างส่วนประกอบระดับนาโนกับส่วนประกอบที่ไม่ใช่ระดับนาโน แต่ยังมีข้อมูลทางวิทยาศาสตร์น้อยมากเกี่ยวกับความแปรผันที่อาจเกิดขึ้นในด้านความเป็นพิษ โปรโตคอลการทดสอบยังคงต้องได้รับการพัฒนา^{[ 149 ]}

อนุภาคนาโนเป็นรูปแบบโครงสร้างที่พบได้บ่อยที่สุดของวัสดุนาโนที่ใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค และมีศักยภาพและการใช้งานจริงที่หลากหลายอย่างมาก ตารางด้านล่างสรุปอนุภาคนาโนที่ใช้กันทั่วไปในผลิตภัณฑ์ประเภทต่างๆ ที่มีจำหน่ายในตลาดโลก

การวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคนาโนกำลังดำเนินไปอย่างเข้มข้น เนื่องจากมีศักยภาพในการใช้งานมากมายในด้านการแพทย์ก่อนคลินิก^{[ 150 ] [ 151 ]}และการแพทย์ทางคลินิก ฟิสิกส์^{[ 152 ] [ 153 ] [ 154 ]}ทัศนศาสตร์^{[ 155 ] [ 156 ] [ 157 ]}และอิเล็กทรอนิกส์^{[ 84 ] [ 80 ] [ 78 ] [ 81 ]}โครงการริเริ่มนาโนเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา ให้ทุนสนับสนุนจากรัฐบาลโดยมุ่งเน้นการวิจัยอนุภาคนาโน การใช้อนุภาคนาโนในตัวกลาง เพิ่มกำลังแสงเลเซอร์โพลี(เมทิลเมทาคริเลต) (PMMA) ที่เจือด้วยสีย้อมเลเซอร์ได้รับการสาธิตในปี 2546 และแสดงให้เห็นว่าสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงและลดการเบี่ยงเบนของลำแสงเลเซอร์ได้^{[ 158 ]}นักวิจัยระบุว่าการลดการเบี่ยงเบนของลำแสงเกิดจากคุณลักษณะ dn/dT ที่ดีขึ้นของนาโนคอมโพสิตอินทรีย์-อนินทรีย์ที่เจือด้วยสีย้อม องค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดที่นักวิจัยเหล่านี้รายงานคือ SiO2 30% w/w ₍ ~ 12 nm) ใน PMMA ที่เจือด้วยสีย้อม อนุภาคนาโนกำลังได้รับการศึกษาในฐานะระบบนำส่งยาที่มีศักยภาพ^{[ 159 ]}ยาปัจจัยการเจริญเติบโตหรือโมเลกุลชีวภาพอื่นๆ สามารถเชื่อมต่อกับอนุภาคนาโนเพื่อช่วยในการนำส่งแบบกำหนดเป้าหมาย^{[ 160 ]}การนำส่งโดยใช้ความช่วยเหลือจากอนุภาคนาโนนี้ช่วยให้สามารถควบคุมยาที่บรรจุไว้ได้ทั้งในเชิงพื้นที่และเวลาเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ทางชีวภาพที่พึงประสงค์ที่สุด อนุภาคนาโนยังได้รับการศึกษาเพื่อการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ในฐานะอาหารเสริมสำหรับการนำส่งสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ เช่นธาตุแร่^{[ 161 ]}

เมื่อนำอนุภาคนาโนของดินเหนียวมาผสมในเมทริกซ์ของพอลิเมอร์ จะช่วยเสริมแรง ทำให้พลาสติกมีความแข็งแรงมากขึ้น ซึ่งสามารถตรวจสอบได้จากอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้ว ที่สูงขึ้น และการทดสอบคุณสมบัติทางกลอื่นๆ อนุภาคนาโนเหล่านี้มีความแข็ง และถ่ายทอดคุณสมบัติของมันไปยังพอลิเมอร์ (พลาสติก) นอกจากนี้ อนุภาคนาโนยังถูกยึดติดกับเส้นใยสิ่งทอเพื่อสร้างเสื้อผ้าอัจฉริยะและใช้งานได้จริง^{[ 162 ]}

การรวมอนุภาคนาโนในตัวกลางของแข็งหรือของเหลวสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลได้อย่างมาก เช่น ความยืดหยุ่น ความเป็นพลาสติก ความหนืด ความสามารถในการบีบอัด^{[ 163 ] [ 164 ]}

เนื่องจากอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ จึงสามารถกระจายตัวในตัวกลางโปร่งใสได้โดยไม่ส่งผลกระทบต่อความโปร่งใสของตัวกลางนั้นที่ความยาวคลื่นดังกล่าว คุณสมบัตินี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ในหลายด้าน เช่น การ เร่ง ปฏิกิริยาด้วยแสง

การปรับปรุงแอสฟัลต์ด้วยอนุภาคนาโนถือเป็นเทคนิคต้นทุนต่ำที่น่าสนใจในวิศวกรรมการปูผิวทางแอสฟัลต์ ซึ่งให้มุมมองใหม่ในการทำให้วัสดุแอสฟัลต์มีความทนทานมากขึ้น^{[ 165 ]}

อนุภาคขนาดนาโนถูกนำมาใช้ในงานด้านชีวการแพทย์ เช่นตัวนำส่งยาหรือสารเพิ่มความคมชัดในการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ อนุภาคนาโนแบบแอนไอโซโทรปิกเป็นตัวเลือกที่ดีในการตรวจจับโมเลกุลชีวภาพ [ ^{13 ] ยิ่ง}ไปกว่านั้น อนุภาคนาโนสำหรับการส่งมอบกรดนิวคลีอิกยังมอบโอกาสที่ไม่เคยมีมาก่อนในการเอาชนะข้อเสียบางประการที่เกี่ยวข้องกับการส่งมอบ เนื่องจากสามารถปรับแต่งคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีได้หลากหลาย จึงสามารถใช้งานร่วมกับโมเลกุลชีวภาพ/ส่วนประกอบใดๆ ก็ได้เพื่อการกำหนดเป้าหมายแบบเลือกสรร^{[ 166 ]}

การใช้อนุภาคนาโนในการรักษามะเร็งกำลังได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวาง ลักษณะเฉพาะบางประการของสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอก รวมถึงหลอดเลือดที่รั่วและการระบายน้ำเหลืองที่ไม่ดี ทำให้เกิดการสะสมของอนุภาคนาโนในเนื้องอก^{[ 167 ]}ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าผลของการซึมผ่านและการกักเก็บที่เพิ่มขึ้น (EPR)และเป็นการกำหนดเป้าหมายแบบพาสซีฟชนิดหนึ่ง นอกจากนี้ ลิแกนด์ที่จับกับตัวรับที่แสดงออกหรือแสดงออกมากเกินไปในสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอกสามารถเชื่อมต่อกับพื้นผิวของอนุภาคนาโนเพื่อกำหนดเป้าหมายเนื้องอกอย่างแข็งขันได้^{[ 168 ]}การสะสมของอนุภาคนาโนในเนื้องอกสามารถลดผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญของเคมีบำบัด

ในการส่งยา ค่า pH ที่เป็นกรดของสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอกมักถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มการปลดปล่อยยาจากวัสดุที่ไวต่อ pH ^{[ 169 ]}นอกจากนี้ อนุภาคนาโนบางชนิดสามารถสร้างความร้อนภายใต้การฉายแสงเลเซอร์ ( การบำบัดด้วยความร้อนจากแสง ) หรือสนามแม่เหล็กสลับ ( การบำบัดด้วยความร้อนจากสนามแม่เหล็ก ) ซึ่งทั้งสองอย่างสามารถฆ่าเซลล์มะเร็งและปลดปล่อยยาที่บรรจุอยู่ในอนุภาคนาโนได้^{[ 170 ]}

ปัจจุบันมีการศึกษาอนุภาคนาโนโลหะที่มีเลขอะตอม สูงบางชนิดเพื่อใช้เป็นสารเพิ่มความไวต่อรังสี เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการรักษาด้วยรังสีในการรักษามะเร็ง^{[ 171 ]}

อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าผลการทำความสะอาดตัวเอง ซึ่งให้คุณสมบัติกันน้ำและต้านเชื้อแบคทีเรียที่เป็นประโยชน์แก่สีและผลิตภัณฑ์อื่นๆ อนุภาค นาโนซิงค์ออกไซด์พบว่ามีคุณสมบัติในการป้องกันรังสียูวีที่เหนือกว่าและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมโลชั่นกันแดด^{[ 172 ]}มีความเสถียรต่อแสงอย่างสมบูรณ์^{[ 173 ]}แม้ว่าจะเป็นพิษก็ตาม^{[ 174 ] [ 175 ] [ 176 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]}

• Jackie Y. Ying (2001). วัสดุโครงสร้างนาโน . สำนักพิมพ์ Academic Press. หน้า 5–. ISBN 978-0-12-744451-2.
• อนุภาคนาโนที่ใช้ในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ ( ScienceDaily )
• "อนุภาคนาโน: การทบทวนด้านสุขอนามัยในที่ทำงาน" เก็บถาวรเมื่อวันที่ 24 กันยายน 2015 ที่Wayback Machineโดย RJ Aitken และคณะรายงานการวิจัยของสำนักงานบริหารด้านสุขภาพและความปลอดภัย (Health and Safety Executive) หมายเลข 274/2004
• "EMERGNANO: การทบทวนงานวิจัยด้านสิ่งแวดล้อม สุขภาพ และความปลอดภัยที่เสร็จสมบูรณ์และใกล้เสร็จสมบูรณ์เกี่ยวกับวัสดุนาโนและเทคโนโลยีนาโน"โดย RJ Aitken และคณะ
• เครื่องมือ Tandem DMA ที่มีการส่งผ่านสูงสำหรับการศึกษาอนุภาคนาโนโดย SEADM, 2014

เว็บไซต์ Wikibooks มีหนังสือเกี่ยวกับหัวข้อ: นาโนเทคโนโลยี

• ภาพอนุภาคนาโนจากNanohedron.com
• การบรรยายเกี่ยวกับทุกแง่มุมของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอนุภาคนาโนจัดเก็บไว้เมื่อวันที่ 29 สิงหาคม 2553 ที่Wayback Machine
• ENPRA – การประเมินความเสี่ยงของอนุภาคนาโนที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมโครงการ EC FP7 นำโดยสถาบันเวชศาสตร์อาชีวอนามัย