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纳米科学：如何判断纳米粒子何时变形！

纳米粒子-直径小于人类头发宽度千分之一的纳米粒子-在高科技，医药和消费品中越来越普遍。它们的特性，无论是理想的还是不合需要的，都取决于它们的大小。
例如，血流中50纳米（nm ，十亿分之一米）宽的纳米颗粒（NP）可能对其遇到的细胞产生有限的影响;但是20纳米版本的完全相同的材料可能是有毒的。如果像预期的那样， NPs在癌症治疗中发挥重要作用，则尺寸考虑尤为重要。因此，精确测量粒子的体积至关重要。

但使用不同工具测量的体积可能会有很大差异。例如， NIST科学家的一项新分析表明，当使用两种最广泛使用的参考方法测量同一组NP时，由于每种方法的固有偏差，计算的体积估计值可能相差多达160％。为了纠正这种情况，研究人员提出并测试了一种新颖的组合测量方案，该方案可以在保持高测量吞吐量的同时最小化错误。
“很长一段时间，即使很多人都在研究这个问题，但不同的方法也有不同的答案，似乎没有人知道什么方法是正确的，或者纳米粒子的大小是什么， ”RavikiranAttota说道，这个调查。

该问题的核心是在测量NP的体积时进行假设，尤其是不规则形状的NP（IS-NP）。此外， NP体积很少直接测量。相反，通常外推三维尺寸。广泛使用的参考工具，如扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），通过使用非常不同的方法测量体积。
在SEM中，聚焦的电子束从上方扫过粒子以产生长度和宽度的2D图像。这种自上而下的方法无法确定粒子的高度，假设其高度与其他两个维度大致相同。

在AFM方法中，尖锐的探针在NP上移动以仅记录其峰值高度，而不是宽度或长度，其被假定为大致相同。
在任何一种情况下，数据都被输入到算法中，该算法计算粒子在完美球体时的体积。
同一批颗粒的测量值根据使用的两种方法中的哪一种而显着不同，并且该差异是纳米科学中的臭名昭着的困境。美国国家标准与技术研究院的研究人员发现，每种方法都有一个独特的偏差，因为结果受到NPs在测量表面上停留的位置以及测量性质的影响。

除非颗粒是完美的球形，否则SEM测量通常产生更大的颗粒直径值，并且SEM和AFM测量之间的差异越大， IS-NP形状偏离球体越大。例如，一个形状像汉堡包的IS-NP--比它高得多-从自上而下的SEM视角看起来比从高度仅AFM视角看起来更大。

为了实现体积估计中的最低误差-NIST的科学家们建议使用SEM和AFM技术进行测量，以产生更精确的3-D形状。（参见图表。）在用计算机生成的形状测试模型和模拟中的想法后，他们使用了各种各样的54个不规则形状的玻璃水族馆鹅卵石，其体积可以精确确定。采用组合测量技术计算与实际测量体积相差不到1％的体积产生值。

研究人员随后将该技术应用于直径约为50nm的相同金纳米粒子上进行的实际SEM和AFM测量。结果与模拟和卵石实验非常一致，尽管SEM测量无法准确检测金纳米粒子的边缘。科学家推测，一种称为透射电子显微镜的相关技术可以缓解这一问题。