综述：材料与纳米材料的制备技术：原理、进展及新兴趋势

《Microchemical Journal》：Techniques to prepare materials and nanomaterials: principles, advances, and emerging trends

　　

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  自上而下、自下而上和混合技术在机制、优势和局限性方面的比较。
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  合成方法在成本、环境影响和工业应用方面的比较。
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  通过绿色和生物途径合成纳米颗粒。
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  材料合成中人工智能辅助和原位技术的新兴趋势。
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  可持续和跨学科合成策略的重要性。

引言

材料及其纳米材料的合成与设计创新在过去几十年中促进了材料科学的发展。特别地，材料指的是任何被加工为结构、电气、光学或催化剂材料的天然或合成物质。另一方面，纳米材料被描述为至少在某一方向上的尺寸或维度在 1–100 纳米之间，或其表面结构处于纳米尺度水平（1–100 纳米）的材料 [1]。纳米材料具有独特的物理化学性质，与块体材料截然不同，这主要是因为它们具有极高的表面体积比和在纳米尺度上的量子限域效应。这些特殊性质使得光学、电子、催化和机械性能可调，这是传统块体材料无法获得的。此外，纳米材料以多种形式存在，如纳米颗粒、纳米管和纳米片，以及纳米复合材料和纳米结构薄膜 [2]、[3]。由于这些特性，它们在催化和能源存储、生物医学甚至环境治理等多个领域变得极具实用性 [4]、[5]、[6]。

材料合成方法的发展与科学技术的发展同步。早期文明无意中使用了纳米尺度的材料，包括古罗马的吕库尔戈斯杯，该杯利用金和银纳米颗粒使玻璃颜色发生变化 [7]。然而，纳米技术作为一个概念，是由理查德·费曼在 1959 年题为“底部有充足的空间”的演讲中明确阐述的 [8]。在 20 世纪末，扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等技术进步使得直接可视化和操纵纳米尺度物体成为可能 [9]、[10]。与此同时，化学气相沉积（CVD）、溶胶 - 凝胶工艺、机械研磨和分子自组装应运而生，成为关键的合成方法 [11]、[12]。这些进展使得纳米材料的生产不再是偶然的，而是非常精确且基于设计的生产。

受控合成一直是工程的关键部分，材料的尺寸、形貌和表面化学直接决定了材料的性能。随着尺寸的明显减小，颗粒的纳米尺寸和表面官能化可以发生显著变化，影响光学吸收、电导率、机械强度和催化效率 [13]、[14]。随着粒径减小，量子限域效应的增强允许带隙缩小至纳米尺度。适当的封端剂对于有效的表面钝化是必要的，以防止团聚，减少表面缺陷并保持尺寸依赖的电子性质。此外，表面官能化的合理控制为控制特定应用的表面化学、化学反应活性和界面相互作用提供了另一种途径 [15]。形貌（球形、棒状或片状）对表面积和活性位的暴露起着重要作用，从而影响催化或电子活性。因此，合成控制不仅是技术要求，也是实现复杂应用中可重复、稳定和高性能的科学要求 [16]、[17]。

纳米材料合成本质上可以分为两种类型：自上而下和自下而上。自上而下是将块体材料转化为较小尺寸的技术，通过机械研磨、光刻、激光烧蚀和化学或等离子体蚀刻方法实现 [18]。虽然自上而下的方法成熟且适用于大规模生产，但它们可能会导致缺陷和相对较大的粒径分布。相反，自下而上的方法涉及合成纳米结构的化学途径，通过溶胶 - 凝胶合成、CVD、水热结晶和电沉积实现 [19]。自下而上的方法提供了对成分和形貌的精确控制，但仍需规模化。因此，混合自上而下/自下而上方法正在演变，以实现精确性、效率和成本效益 [20]。

许多研究报告了材料和纳米材料的合成，大多数集中在特定方法、材料或应用上 [21]、[22]、[23]。因此，不同类型合成方法（物理、化学、生物和混合）之间的详细比较，以及这些方法的效率、可扩展性、成本和环境影响的分析仍然缺乏。此外，新兴理念（如人工智能驱动设计、原位监测、可持续制造等）与现有综述之间的连接有限。因此，需要一种新的多学科方法来采用更环保的方法生产纳米材料。与通常只针对单个合成技术或特定纳米材料系统的先前综述不同，本综述通过关联其机制、结构控制、可扩展性、经济可行性、环境影响和工业就绪情况，对物理、化学、生物和混合合成策略进行综合评估，并将传统纳米制造技术与新颖的人工智能驱动和可持续方法相结合。

尽管在材料和纳米材料合成策略的发展方面取得了显著进展，但当前的综述相当狭隘，主要致力于单一合成策略、特定类别的材料或有限的应用导向综述。目前尚无系统比较不同合成路线的框架，结合基本机制、结构控制可能性、可扩展性、经济可行性、环境影响以及路线的工业就绪情况。为了填补这一空白，本综述涉及传统自上而下和自下而上方法以及新的混合、生物和可持续合成方法的评估。此外，本工作对人工智能应用于设计、实时原位监测、自动化和循环制造概念进行了批判性分析，旨在超越传统的合成比较，发展纳米制造技术。本综述为下一代技术应用中高性能、可重复和可持续材料的发展提供了新见解，将合成方法学、过程优化和可持续性导向的制造联系在一起。

章节摘要

材料制备技术的分类

材料制备技术包括各种物理化学方法，这些方法控制着先进材料在从原子/分子尺度到块体材料的各种长度尺度上的成核、生长、组装和结构发展。合成路线的选择受材料性能需求的强烈影响，如组成、结晶度、形貌、表面性质、孔隙率和功能。材料和纳米材料合成可以是

先进制造和功能化方法

纳米材料的合成已向先进合成方法和后合成功能化转变，两者都允许在原子/分子尺度上对组成、结构和性能进行极其精细的控制。虽然以前的合成途径主要旨在控制尺寸和形貌，但当前的制造包括模板辅助合成、表面工程、掺杂和后合成操纵的结合，以获得

对比分析

材料和纳米材料合成方法包括多种不同的物理、化学和生物途径，它们在成本、控制、可扩展性和环境影响方面具有各自可能的优势和局限性。这些方法的相对分析对于决定其工业可行性和长期安全性至关重要。虽然蒸发、冷凝和溅射等物理方法具有高度纯化和准确的化学计量比，但化学和

新兴趋势和未来方向

纳米材料科学领域经历了快速增长，因为数字技术开始开发通过跨学科研究方法实现可持续性的工程解决方案。目前，科学家通过基于数据的方法开发新材料，取代了需要多次试验的传统实验测试方法。最新趋势显示人工智能集成，科学家将其用于材料发现，包括原位、运行中

结论

材料和纳米材料的合成经历了显著的变革，越来越强调协调科学进步与可扩展合成和长期环境可持续性。自上而下和自下而上方法的发明在过去几十年中为研究人员提供了多样化的路径，将块体修改为纳米尺度，使研究人员能够对结构、组成和功能进行无与伦比的控制。物理、化学和所有三种方法

CRediT 作者贡献声明

Kashif Naseem：撰写 – 初稿，概念构思。Faryal Khalid：撰写 – 审阅与编辑。Qin Fei：撰写 – 审阅与编辑。Guoquan Suo：撰写 – 审阅与编辑，项目管理。Adnan Tahir：撰写 – 审阅与编辑。Syed Hamza Safeer Gardezi：撰写 – 审阅与编辑。Amir Fayyaz：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作未获得财务支持。

Kashif Naseem|Faryal Khalid|Qin Fei|Guoquan Suo|Adnan Tahir|Syed Hamza Safeer Gardezi|Amir Fayyaz