说明：本文华算科技介绍了纳米颗粒的定义、团聚与分散的原因及表征方法。团聚是因表面自由能、静电、溶剂作用、化学结合等因素导致颗粒聚集；分散则是静电斥力、空间位阻、溶剂化壳层等作用维持颗粒均匀分布。表征方法包括DLS、NTA、电子显微镜、AFM和Zeta电位测量等，用于评估纳米颗粒体系的分散状态和稳定性。
纳米颗粒（NPs）通常被定义为在三维空间中至少有一维尺寸处于纳米尺度（1-100 nm）的颗粒状物质。
从结构与形貌的维度进行分类，纳米颗粒可分为零维纳米材料（0D Nanomaterials），与一维（1D）和二维（2D）纳米材料相对应。0D纳米颗粒在空间三维均受到尺寸约束，典型代表包括金属纳米颗粒、氧化物纳米粒子、硫化物纳米晶等。
此外，依据其组成成分，纳米颗粒可进一步细分为单组分（如纯金属、单一氧化物）与多组分结构（如核壳结构、合金纳米粒子、异质结构等），其结构复杂度直接影响其功能表现。
图1 基于二维材料的混维纳米复合材料示意图。DOI: 10.1038/s41699-023-00425-w
纳米颗粒团聚：指的是初级纳米颗粒之间通过物理或化学作用力形成较大的颗粒集合体的现象，通常表现为尺寸增长和比表面积下降。
团聚可分为可逆团聚与不可逆团聚两类，其中前者通过外部干预如超声或溶剂调节可重新分散，而后者常由固结、烧结或化学键合作用引起，难以恢复原始分散状态。
纳米颗粒分散：指纳米颗粒均匀地分布于液相、固相或气相介质中，维持粒子间有效间隔，避免接触聚集，保持其单分散性与高比表面积状态。有效分散是发挥其纳米效应的前提条件。
图2. 颗粒三种主要分散状态示意图：分散态、弱絮凝态和强絮凝态。
纳米颗粒比表面积大，表面原子未饱和，导致表面自由能升高。多颗粒接触可减小总表面积，释放界面能，从而降低系统自由能。这种能量最小化趋势是颗粒自发团聚的内在热力学驱动力，是纳米尺度下普遍存在的团聚根源。
图3. LPTEM 直接观察到纳米颗粒聚并/黏结，揭示由表面能驱动的聚集路径。DOI: 10.1021/nl3045243
带电颗粒形成的电双层可提供静电斥力稳定分散状态。当pH接近等电点或离子强度增加时，双层被压缩，斥力下降，颗粒间吸引势能占主导，导致团聚。这种电势屏障的稳定性决定了体系的抗团聚能力。
图4. 基于 DLVO 的势能曲线与离子强度影响，展示双层被压缩时势垒降低→聚集。DOI: 10.1038/s41467-018-04064-7
颗粒在溶液中需依赖溶剂化壳层实现界面稳定。若溶剂极性弱、亲和性差，难以形成有效溶剂化层，则颗粒间直接接触增加，范德华力增强，引发团聚。因此，溶剂的物理化学性质直接影响颗粒的分散状态。
图5. 不同水合离子导致润湿性/界面能显著变化，体现溶剂/溶剂化壳层对界面稳定性的主导效应。DOI: 10.1038/s41467-020-14854-4
具有高反应活性的颗粒表面可通过羟基、羧基等官能团发生氢键、配位或共价结合，形成稳定团簇。这种化学键合使团聚不可逆，不易通过物理方式解离。该过程基于表面能态及功能基团的化学反应性。
图6. 酶触发的表面配体反应→颗粒间共价交联示意。DOI: 10.1038/ncomms10432
颗粒表面带电会在液体中形成电双层结构，两颗粒接近时电双层之间产生静电斥力。这种排斥作用可在粒子间构建势能屏障，有效抑制短程吸引力导致的聚集。若体系总势能存在足够高的势垒，颗粒即处于动力学稳定状态。该机制依赖电荷密度、介电常数与离子强度，是水系胶体常见的稳定基础。
图7. d：pH = 12 时总势能ET及其分量 EE、EvdW 随距离变化曲线。e：不同 pH 下 ET–距离曲线，清晰显示电双层增厚/表面电位升高时势垒增大、体系分散稳定性提高。DOI: 10.1038/s41467-017-02580-3
空间位阻效应由颗粒表面吸附或接枝的高分子链段产生。当颗粒趋于靠近时，这些分子结构产生构象压缩与排斥力，阻止颗粒接触。
该机制不依赖表面电荷，适用于高离子强度或非极性体系。空间位阻提供了物理屏障，是聚合物包覆或表面活性剂体系中最常见的分散机制之一，尤其在表面修饰颗粒中表现显著。
图8. 聚合物刷层的厚度/排斥随链长与密度的标度关系；位阻层抑制接触聚集。DOI: 10.1038/s41467-023-39561-8
当颗粒与溶剂分子形成稳定溶剂化层时，该层在颗粒接近时提供显著能量障碍，阻止颗粒直接接触。
溶剂化层厚度和稳定性取决于溶剂的极性、氢键能力和与颗粒表面的亲和力。若颗粒间接触需克服溶剂化层脱附能，此能垒可有效降低团聚发生几率，是无电性排斥条件下的一种重要分散保障机制。
图9. 随溶剂组成变化的结构/稳定性；溶剂化与去溶剂化调控颗粒接近势垒。DOI: 10.1038/s41467-025-57953-w
表面功能化可引入电荷、空间结构或疏溶性调控因子，增强颗粒间排斥力或提升界面相容性，从而提高分散稳定性。通过接枝配体、聚合物链或功能团，表面可获得电性排斥与空间保护双重机制，使颗粒难以接近并形成团聚。
该方法广泛应用于金属氧化物、量子点等体系，是实现可控分散的核心策略之一。
为了评估纳米颗粒分散体系的质量和稳定性，需要综合运用多种表征技术，从不同维度获取信息。
动态光散射（DLS）: DLS是测量悬浮液中纳米颗粒粒径和分布最常用的技术之一。它通过测量颗粒布朗运动引起的时间依赖性光散射强度波动，计算出颗粒的流体动力学直径。
DLS还能提供多分散指数 (PDI) ，这是一个评估粒径分布宽度的无量纲参数。通常认为，PDI值低于0.3表明样品分散性良好、粒径分布均一；而PDI值大于0.7则意味着样品可能存在严重团聚或粒径分布极不均匀。
图10. 通过动态光散射技术（DLS）对磁性纳米颗粒在三重蒸馏水中的流体力学尺寸进行了分析。DOI: 10.1038/s41467-025-58513-y
纳米粒子追踪分析（NTA）: NTA通过光学显微镜实时追踪并记录视野内每个颗粒的布朗运动轨迹，然后利用斯托克斯–爱因斯坦方程计算出每个颗粒的尺寸。相比DLS，NTA能够提供更高分辨率的粒径分布信息，并能直接测量颗粒浓度，对多分散和复杂体系的表征尤为有利。
图11. 在不同多分散性条件下制备的POPC囊泡样品的尺寸分布，通过动态光散射（DLS）和纳米颗粒跟踪分析（NTA）测量。DOI: 10.1038/s41598-019-38915-x
电子显微镜（TEM & SEM）： 透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）能够提供纳米颗粒最直观的形貌信息。通过这些技术，研究人员可以直接观察到颗粒的尺寸、形状、表面结构以及它们是处于单个分散状态还是形成了团聚体。TEM具有更高的分辨率，甚至可以观察到颗粒的晶体结构。
原子力显微镜（AFM）： AFM通过一个精细的探针在样品表面进行扫描，可以获得颗粒的三维形貌图像，并精确测量其高度和侧向尺寸。
图11. 原子力显微镜研究：高定向热解石墨（HOPG）上纳米颗粒状聚集体的高度/相位图像。DOI: 10.1038/s41467-020-19189-8
Zeta电位测量：Zeta电位是评估纳米颗粒静电稳定性的核心指标。通过测量颗粒在电场中的电泳迁移率来计算获得。一般而言，Zeta电位的绝对值与体系的稳定性存在如下经验关系：
丨ζ丨＞60mV：稳定性极佳。
丨ζ丨＞30mV：稳定性良好。
丨ζ丨＞25mV：体系趋于不稳定，容易发生团聚。
图12. 不同 pH 条件下磁性纳米颗粒的Zeta电位。DOI: 10.1038/s41467-020-19189-8
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