微球介绍及其在各个行业的应用（一）
一、 什么是微球？
微球是直径在纳米和微米尺度范围的球型粒子。球形物体是自然界存在最稳定的物质形态，它是三维几何空间理想的对称体，也是单位体积中所有立体形态中面积最小的。自然界大到星球如地球，小到篮球，乒乓球，玻璃珠等都是球体。 地球直径是1.28万千米，而篮球直径是0.25米，1纳米等于十亿分之一米，相当于一根头发丝横切面的六万分之一，如果拿纳米的微球与篮球相比，就相当于篮球与地球之比例。 如此之小的纳米微球材料却是现代产业发展的重要基础。
二、 微球的重要性
前段时间科技日报总编刘亚东列出包括芯片，飞机发动机等在内的35项中国给人卡脖子的技术，其中微球材料也是其中之一。大多数人可能很容易理解芯片和飞机发动机的技术难度及其重要性，但很少人可以理解微球为什么也这么重要这么难做。我们所熟知的宏观球体如篮球，乒乓球，玻璃珠是如此之普通，而微球只不过是把这些球体做到足够“小”而已，为什么中国这么一个大的一个国家却做不了。其实很多技术的难度都是因为“小”造成的。芯片之所以难做就是因为里面的结构要精准控制到纳米尺寸。乒乓球可以很容易通过模具做出来，而要把乒乓球做到纳米和微米范围的尺度其实难度是很大的。在微观尺度下，大家习以为常的宏观工具和制作技术已完全不适用，需要全新的技术手段，使得宏观很容易的事情在微观变成高不可攀的技术难题。当然也正是因为小，让微球材料性能得到大幅度的提升，比如说微球表面效应和体积效应，一个乒乓球直径40毫米，重量2-3克。如果把乒乓球做到直径40纳米微球，由于1毫米是106纳米，因此一个普通乒乓球就可以做出1018个直径40纳米微球。其表面积有5000多平米，相当与5个足球场大小，同样重量的40纳米微球与40毫米乒乓球相比表面积增加了1012倍，因此纳米微球表面吸附能力也增加了1012倍。当尺寸变小，表面吸附能力大幅度增加还是一个物理量变的过程，而某些物质小到一定程度时，其性能还会出现质的变化。比如说量子点就是有一类物质当尺寸小到纳米尺度时，这些物质就会发生质的变化，由原本不发光的物质变成会发光的物质，而且发光的颜色或波长与尺寸还有关系。因此只要控制这些物质的尺寸就可以控制这类物质的发光波长。材质不变，只依靠尺寸的变化就可以改变其性能的巨大变化就是纳米技术领域兴起的重要原因之一。另外一个案例也可以说明这个问题。一个普通塑料（聚苯乙烯）组成的微球，当其尺寸与光的波长相当时，且这些微球粒径分布足够均匀时，这些微球就容易堆积成有序结构的材料，使得本身无色的聚苯乙烯塑料微球变成五颜六色的材料。这种现象在自然界中其实早就存在，如五颜六色的蝴蝶翅膀就是由纳米粒子组成的有序结构。因此人类技术的进步往往是由于科学家对微观世界有更深人的理解和掌控。
微球材料属于纳米技术领域，虽然不是目前科研院所的研究热点，但却是生物制药，电子信息，医疗器械，国防军工等现代产业发展基础。可以这么说，没有微球材料技术就无法生产出用于治疗癌症的生物药，没有微球也无法生产手机电脑用液晶显示屏。纳米微球所具有的小尺寸效应、表面效应、极其优异的光、电、磁、力学、机械等性能而被广泛地用于现代工业生产中,
也是当今和未来高技术和新兴产业发展的重要基础。
三、 微球的国内外发展状况
纳米微球的精确制备和应用是当今世界前沿、交叉的新兴学科，涵盖了材料、高分子、有机、分析、生物技术、医药工程、电子等众多领域。纳微米球材料的性能取决于微球基质组成，粒径大小和分布，形态，表面功能基团等。
随着21世纪电子信息、生物制药、能源、环境和国防的高速发展，对纳米微球材料的性能和制备技术也提出了越来越高的要求，包括对纳微米粒子大小的精确性、粒径分布的均一性、形态、孔道结构的精确调控，以及材料的组成、表面功能化的控制等等。粒径、形态、结构、材料组成可精确调控的高性能纳微米球材料是电子信息、生物制药、能源、国防等产业的核心材料。掌握了这些核心材料往往也就控制了战略性新兴产业的制高点。因此欧美日等发达国家都从战略的高度投入了大量人力物力，致力于高性能纳微米材料的研制，以求占有核心产业的控制权。我国在纳米科技领域的研究虽然起步较早，基础研究也取得了很好的成绩，如我国在纳米技术领域发表的文章数量已多年位居世界第一，但我国在纳米微球的应用和产业化研究却严重滞后，因此国内科研院所的研就成果往往只能停留在实验室阶段无法成功地产业化。目前几乎所有高性能，高附加值纳米微球材料都由国外垄断，如用于液晶显示的间隔微球，导电金球，光扩散微球基本由日本垄断，而用于生物制药的分离纯化介质微球，用于分析检测的色谱柱硅胶填料微球，
则由欧美垄断。
四、 纳米微球的关键产业化技术
如何精确控制和大规模化生产裸眼看不到的纳米微球并赋予这些材料的功能，以满足现代产业的需求是当今纳米材料科学家最重要的研究方向。纳米微球的关键技术问题和研究方向如下：
1） 纳米微球粒径大小径及粒径分布精确控制关键技术:
纳米微球的应用非常广泛,不同的应用需要不同性能的微球,很多高端应用都对微球的粒径大小和均一性都有极高的要求，如液晶间隔物微球和导电金球都要求能精确控制粒径大小（平均粒径精度控制在50纳米以下），粒径分布满足变异系数小于3%,.
因此不同材料组成的纳米微球的精确粒径大小和分布本领域首要解决的关键技术问题
2） 纳米微球的孔径大小,孔径分布和比表面精确调控关键技术:
在很多应用领域，不仅要严格控制微球材料、粒径大小、分布和机械强度，还要调控微球的比表面积、孔道结构等,如用于生物分离和分析的微球介质和色谱填料，微球粒径大小、均一性、纳米孔道结构都会影响生物分子分离和分析效果，因此如何调控微球孔道结构，比表面积也是关键技术之一。
3） 纳米微米球表面改性和功能化技术:
不同的应用需要不同的表面功能基团,如用于诊断的荧光和磁性微球一般都需要有表面活性基团,使得抗体及生物分子可以链接到微球表面.因此微球表面功能化或改性以满足不同应用领域的需求是一重要技术问题。
4） 纳米微球规模化生产工艺技术:
很多科研院所开发出的纳米微球合成方法都只能局限于实验室的制备，一旦放大生产就往往重复不出来,因此技术无法转化成产品。如何解决从实验室到大规模化生产的工程转化也是关键问题之一。
最后，微球应用开发牵涉到很多交叉领域的技术,需要不同领域的专家紧密合作才能开发不同领域应用的微球产品。
五、 纳米微球的应用领域
纳米微球的应用极其广泛，几乎渗透到所有的产业：无论是新医药，平板显示，食品安全检测，医疗诊断，还是水处理，节能环保，石油化工，国防安全等都离不开先进纳微米球材料。
在制药领域: 纳米孔道结构的微球材料具有极高的比表面积(1克微球材料的比表面积相当于一个足球场的面积)，因此具有极强的吸附性能，如果在微球表面键合特殊功能基团使它可以选择性吸附某些物质，这一特性使得纳米微球材料成为所有生物药和天然药分离纯化过程中不可缺少的材料，另外气相和液相色谱是当今医药分析检测最常用的方法，而色谱核心的材料就是微球材料。在药物制剂领域，微球也是理想的药物缓控释的载体，当有效组份负载在空心或多孔的纳米微球载体中可以使药物在人体里缓慢释放，以减小药物的毒负作用，增加药物的有效性。由磁性材料组成的多孔微球可作为靶向释药系统的载体，在外加磁场的作用下，将药物载至预定区域，可使免疫磁性微球上的抗癌药物更易与癌细胞接触，提高了杀伤癌细胞的效果。
在平板显示领域: 单分散、粒径高度均一的微球材料可以作为间隔物用于控制液晶盒厚，起到支撑上下基板的作用；导电微球均匀分布在热固化性树脂中形成各向异性导电膜（ACF）则是连接芯片和面板的关键材料；把光扩散微球涂到光学膜的表面或均匀地分散在基板中，可以将点光源变成面光源，则是背光源膜组的重要部件。
在食品安全检测领域：微球由于有极高的比表面积和特殊的表面基团使得微球具有选择性吸附功能，因此特殊功能化的多孔的微球可以把牛奶里的的三聚氰胺，蔬菜里农药残留，血液的有害物质象大海捞针一样把极其微量的有害物质捕获出来。使我们能精确检测到这些有害物质的含量。另外微球还是高效液相色谱和气相色谱柱的心脏，
而高效液相色谱和气相色谱是当今检测和分析有害物质的最重要手段之一。
在LED 照明领域：在LED芯片或封装材料里加入纳微米球不仅可以大幅度提高LED发光效率，并增加光的柔和性保护人的眼睛。
在化妆品领域: 在化妆品里添加微球不仅可以增加手感和抗紫外功能，还可遮盖皮肤的缺陷，延长有效成分的稳定性，增加皮肤的美感。
在水处理领域：功能性的微球可以除去水里有机杂质和金属离子成分，可制备用在半导体工业，医药，核工业等的超纯水，也可用于净化日常饮用水。水为人类洗涤了污秽，微球却可以铲除水里的污秽，到达净化水的目的。
