JP2007517922A - 非対称無機粒子およびそれを調製する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、非対称性ナノスケールまたはメゾスコピック粒子、およびそれを調製する方法に関連する。前記粒子は、表面Ｆ１によって特徴づけられ、ゾーンＺ２は、基Ｆ１と異なる基Ｆ２を持ち、ゾーンＺ１は、基Ｆ２を含まず、ゾーンＺ２は、基Ｆ１を含まない。
調製の方法は、以下のステップを含む：１）初期粒子の表面のゾーンＺ２を、それにポリマーノジュールを固定することによってマスキングする、２）ステップ１）の終わりに得られた改質粒子を、マスキングされなかった表面ゾーンＺ１を改質するために処理する、３）ポリマーノジュールを、ゾーンＺ１を改質した後に除去する、４）粒子のゾーンＺ２の表面を、任意に、デマスキングプロセスの後で改質する。

Description

本発明は、２種の化学的または生化学的に異なる機能を位置選択的に有するナノスケールまたはメゾスコピック無機粒子、および、それを調製する方法に関する。

その表面に種々の機能をもつ非対称ナノスケール粒子または極微粒子は、その用途を開発する目的で種々の技術分野において広く研究されてきた。こうして、その表面に異方的に分布した親水基および疎水基を持つ粒子は、エマルジョン類を安定化するために使用することができる。

国際公開第０１／８５３２４号パンフレット（チャン−チン（Chane-Ching））には、両親媒性である固体粒子群を調製する方法が記載されている。その方法は、本来疎水性である有機鎖で無機ナノ粒子の表面を部分的に改質することにある。得られた製品は、その表面の一部の上に、無機材料および疎水性有機物被膜からできたコアを持つナノスケールの無機粒子を含む乳化組成物であって、該疎水性被膜は、特に長いアルキル鎖およびシラノール基を含む化合物を使用して共有結合によって得られる。

国際公開第０３／０３９７２４号パンプレット（チャン−チン）には、その表面が本来疎水性である有機鎖に結合した、固体の無機ナノスケール粒子で安定化されたエマルジョン類が記載されている。無機粒子（酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、たとえばシリカ）は、それらの表面に固定された適当な有機基によってもたらされた、固有の親水的性質及び疎水的性質を持つ。該粒子は、疎水性相と、親水性表面を持つナノスケールのコロイド粒子の水分散液を形成すること（その二つの相の一つは、所定の比率でコロイド粒子と会合することが可能な分子界面活性剤を含む）；その相の一つを他の相に添加すること；その混合物を乳化処理すること；および、得られたエマルジョンの界面に存在する安定化剤を、水性または疎水性媒体中の分散体の形で、または乾燥粉末の形で回収すること、からなる方法によって得られる。

もう一つの方法は、分子界面活性剤と、水／油型界面での表面電荷がゼロでない、金属酸化物、水酸化物またはオキシ水酸化物のナノメートルコロイド粒子を統合するエマルジョンを形成すること；連続相に溶け、疎水性が少なくとも優勢である有機鎖を含む反応体を使用して、水／油型界面に固定された前記粒子の表面に、疎水性が少なくとも優勢である有機鎖を共有結合によって固定すること；第２段階の最後に存在する分子界面活性剤を少なくとも部分的に除去すること；水／油型界面で得られた改質された表面をもつ粒子を、水性または疎水性媒体中の分散体の形、あるいは乾燥粉末の形で回収すること、からなる。

国際公開第０３／０３９７２５号パンフレット（チャン−チン）には、疎水性である有機鎖が表面に結合したリン酸塩またはバナジン酸塩の無機粒子の調製が記載されており、その鎖と粒子の表面との間の結合は、非均一的に分布し、それが、粒子に有効な両親媒性を付与する。両親媒性粒子を含む乳化性組成物は、疎水性相および（リン酸塩、またはバナジン酸塩の）ナノスケールコロイド粒子の水性分散液を作製すること（二つの相の一つは、コロイド粒子と結合できる分子界面活性剤を所定の割合で含む）；その相の一つを他の相に添加すること；混合物を乳化処理すること、からなる方法によって調製することができる。

先に述べた先行技術の種々のチャン−チンの文書においては、各粒子は、はっきりした断面によって、表面Ｓ１およびＳ２の各々がナノ粒子の全表面の少なくとも２０％を占めるように、二つの表面Ｓ１およびＳ２に分けることができる；そして、Ｓ２に付いた有機鎖の表面密度は、Ｓ１に付着した疎水鎖の表面密度の少なくとも５倍より大きい。こうして、粒子は、優勢的に、しかし独占的ではなく親水性の表面基をもつゾーン、および優勢的に、しかし独占的にではなく疎水性の表面基を持つゾーンを持つようである。

小さなポリスチレン粒子が表面に固定されているシリカ粒子を調製する方法もまた知られている。前記方法は、シリカ粒子の懸濁液が調製される第一段階、親水性ＰＥＧメタクリレートミクロモノマーが前記シリカ粒子の上に吸着される第二段階、および、改質シリカ粒子の存在下でスチレンの乳化重合が遂行される第三段階を含む。この方法によって得られる粒子は、１個のシリカコアおよびシリカコアの表面に均一に分布したポリマーの小さなノジュールから成る（「ラズベリ様シリカ／ポリスチレン材料の合成」、Ｓ．リカルサ（S. Reculusa）ら、「ケミストリーズ・オブ・マテリアルズ（Chem. Mater.）」、２００２年、１４巻、２３５４〜２３５９頁参照）

しかし、先行技術の種々の方法では、その表面が位置選択的に機能化されているナノ粒子を大量に得ることが可能ではない。

本発明の目的は、２種の化学的または生化学的に異なる機能を位置選択的に持つ、ナノスケールのまたはメゾスコピックの無機粒子を提供することである。用語「ナノスケール」は、１ｎｍから１００ｎｍの間の大きさを意味することが意図されている。用語「メゾスコピック寸法」は、１００ｎｍから１μｍの間の大きさを意味することが意図されている。

本発明による粒子は、無機材料からなるナノスケール粒子またはメゾスコピック粒子である。それらは、それらの表面が２つのゾーンＺ１とＺ２に分けられること、ゾーンＺ１は官能基Ｆ１を持つこと、そしてゾーンＺ２は官能基Ｆ１と異なる官能基Ｆ２を持つ（ゾーンＺ１は官能基Ｆ２を含まず、ゾーンＺ２は官能基Ｆ１を含まない）ということを特徴とする。各ゾーンの範囲は、粒子の総面積の少なくとも５％、好ましくは少なくとも１０％、より具体的には、少なくとも２０％を占める。

以後、本発明の粒子を「非対称性粒子」と称する。

無機材料Ａは、無機酸化物または金属である。無機酸化物は、たとえば、シリカ、酸化鉄、（たとえば、粘土やゼオライトのような）アルミノケイ酸塩、二酸化チタンまたはアルミナから選択されることができる。金属は、たとえば、水性媒体中で安定である金属（たとえば、金、銀およびパラジウム）から選択されることができる。シリカは、無機材料Ａとして特に好ましい。

官能基Ｆ１およびＦ２は、本発明の非対称性粒子に対して想定される用途によって、多数の官能基から選択されることができる。たとえば、非対称性粒子がエマルジョンを安定化することが目的とされるときは、Ｆ１は、親水性基であり、Ｆ２は疎水性基である。

本発明の非対称性粒子は、以下のステップを含む方法によって、ナノスケールまたはメゾスコピック無機粒子（以後「初期粒子」と称す）から調製することができる。：
１） 初期粒子の表面のゾーンＺ２を、それにポリマーノジュールを固定することによって、マスキングすること；
２） 前記粒子のマスキングされていない表面ゾーンＺ１を改質するために、ステップ１）の終わりで得られたマスキングされた粒子を処理すること、
３） ゾーンＺ１を改質した後にポリマーノジュールを除去すること；
４） 任意に、デマスキングプロセスの後で粒子のゾーンＺ２の表面を改質すること

本発明の方法のステップ１）で使用される初期粒子は、球体、楕円、ディスク、塊または棒の形状を有することができる。一つの好ましい具体例においては、初期粒子は実質的に球状である。

初期粒子の表面のゾーンＺ２をマスキングするために使用されるポリマーは、繰返し単位−ＣＨ_２−ＣＲＲ’−であり、これらは同一であっても、異なってもよく、またこの繰り返し単位において、
・Ｒは、Ｈまたはアルキル基を表す。
・Ｒ’は、Ｈ、アルキル基、アリール基、アルキルアリール基、アルケニルアリール基、ピリジル基、ニトリル基、−ＣＯＯＲ”または−ＯＣ（Ｏ）Ｒ”（Ｒ”は、Ｈ、アルキルまたはアルケニルである）を表す。

アルキル基またはアリール基を示す置換基Ｒ、Ｒ’またはＲ”は、たとえば、ハロゲン化物およびアミノ基から選ばれた官能基を有することができる。

ノジュールを構成する前記ポリマーは、架橋されていてもよいし、架橋されないままでもよい。

ポリスチレン、またはスチレンのコポリマー、およびジビニルベンゼンのコポリマーは、ポリマーノジュールのための原料として特に好ましい。

ステップ１）の終わりに得られた粒子は、無機部分およびポリマーノジュールからなり、以後「ハイブリッド粒子」と称す。

ステップ１）は、２００２年５月１１日に出願された仏国特許出願第０２／１３８００号明細書に記載されたナノスケールまたはメゾスコピックのハイブリッド粒子を調製する方法によって行うことが有利である。前記方法は、以下のステップを含む：
１ａ）ポリマーＢの１個以上の前駆体に親和性を持つ官能基Ｆ_Ｃを含むカップリング剤Ｃを使用して、初期粒子の表面を改質すること；
１ｂ）ステップ１ａ）の終わりに得られた改質された初期粒子を、ラジカル開始剤、および溶媒の溶液中の界面活性剤の存在下で、初期粒子１個につき１個のポリマーノジュールの生成を可能にする割合で、ポリマーＢの前駆体と接触させること。

ステップ１ａ）において、シリカ粒子の表面１ｍ^２につきカップリング剤約０．１モルに相当する量のカップリング剤を使用することが有利である。

Ｎｐがシード重合の数、ＳＡが界面活性剤、そしてＩがラジカル開始剤を意味する場合、シード重合の数は、第一次近似として、関係式Ｎｐ≒［ＳＡ］^０．６［Ｉ］^０．４によって推定することができる。各々の具体的な事例において、最適濃度を決定するために、オペレーターは、反応媒体中に存在する粒子Ａの数およびそれらのサイズに従って、ＳＡおよびＩの濃度を変えることによって、当業者が行う範囲内の予備実験を行うことができる。

別の操作方法としては、モノマー、開始剤および界面活性剤の量、また反応時間および温度を確定すること、そして、前記粒子の最適量を決定するために、所定のサイズのシリカ粒子について種々の濃度で実験を行うことが含まれる。この第二の具体例は、特に好ましい。本方法のステップ１ａ）および１ｂ）により、溶媒中のコロイド溶液の形で非対称性粒子を得ることが可能になる。

本方法のステップ１ａおよび１ｂ）により、コロイド溶液（これは、そのままステップ２）のために用いることができる）の形でハイブリッド粒子を得ることが可能になる。

本方法のステップ１ａ）において、同じ性質をもつハイブリッド粒子を得るために、狭い粒度分布を持つ初期無機粒子を使用することが好ましい。事実、ステップ１ｂ）において、生成したポリマーノジュールは、すべて実質的に同じサイズを持つ。これより大きい、または小さい無機の粒子では、雪だるまの形をしたハイブリッド粒子が生成するだろう。同一サイズの無機粒子では、ダンベルの形のハイブリッド粒子が生成するだろう。非常に小さな無機粒子は、ノジュールを付着させることができず、非常に大きな無機粒子は、２つのノジュールを付着させる。初期の無機粒子は、ステップ１ａ）のために、好ましくは、コロイド懸濁液（その固体含量は、２〜３５％、好ましくは１０〜２５％であり、ｐＨは、カップリング剤Ｃと相互作用できるように調整される）の形で使用される。

上述のマスキング法の実施は、約１００ｎｍの直径を持つシリカ粒子に対して特に適している。そのような粒子は、ゾル−ゲル法によって得られ、特にストーバー法という名でよく知られている。この方法によると、基本的な水−アルコール性溶液は、所定量のアルコール（好ましくはエタノール）にアンモニアの水溶液を添加することによって調製される。均質化の後に、テトラアルコキシシランタイプ、好ましくはテトラエトキシシランのシリカ前駆体が添加され、反応は、中程度の撹拌および温度がコントロールされた状態で最低１２時間行われる。

ステップ１ａ）は、種々の具体例にしたがって行うことができる。

第一の具体例によると、重合可能な官能基Ｆ_Ｃで終わる親水性鎖を持つ巨大分子をカップリング剤Ｃとして使用し、前記巨大分子を以後マクロモノマーと称する。前記マクロモノマーを、初期粒子と接触させ、反応媒体を一定期間撹拌する。マクロモノマーの例として、ポリ（エチレンオキシド）、ヒドロキシセルロース、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（アクリル酸）およびポリ（ポリビニルアルコール）を挙げることができ、前記化合物は上述のフリーラジカル重合可能な官能基Ｆ_Ｃを持っている。重合可能な官能基Ｆ_Ｃは、たとえば、ビニル基、メタクリル酸エステル基またはアリル基である。初期粒子がシリカ粒子であるとき、ポリ（エチレングリコール）モノメチルエーテルメタクリレートをマクロモノマーとして使用することが有利である。マクロモノマーの必要量を決定するために、例えば、初期粒子の上の選択されたマクロモノマーに対する吸着等温式を用いて測定することができる。吸着が事実上観察されるならば、当業者は、最適条件を発見するために、低濃度のもの（ステップ１ｂの間に、連続相における粒子の核形成を促進することを避けるのに一般的に十分な程度）を使用して、予備試験を遂行することができる。ステップ１ａ）の間に、初期粒子の上へのマクロモノマーの完全な吸着を確実にするのに要する時間は、マクロモノマーおよび初期粒子の性質によって調整されるべきである。一般的には、２４時間で十分である。

第二の具体例によれば、ステップ１ａ）は、ポリマーの前駆体と共重合可能である官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤Ｃのグラフト結合によって遂行されることができる。初期粒子を構成する物質が無機酸化物であるとき、共有結合的グラフト反応によって固定されるカップリング剤は、化学式Ｒ^１ _ｎＳｉＸ_４ーｎ（ｎ＝１〜３）（ここで、Ｘは加水分解基（たとえばハロゲンまたはアルコキシド）であり、Ｒ^１は、上述の官能基Ｆｃを含むラジカルである）に相当するオルガノシランのような有機金属誘導体から選択されることができる。そのようなカップリング剤の例として、アリルトリアルコキシシランが挙げられる。ついで、無機ナノ粒子の表面は、成長するポリマー核の固定を可能にするために改質される。この場合、無機ナノ粒子を改質する方法は、ナノ粒子の表面にカップリング剤を吸着させ、ついで、ヒドロキシル表面基と基Ｘの加水分解−縮合反応による前記化合物の共有結合的グラフト反応を確実にするために、反応媒体を所要の温度に加熱することからなる。種々の反応体の余剰分は、方法の終わりに透析によって反応媒体から除くことができる。このようにして得られたナノ粒子は、その表面に、フリーの重合可能な官能基を持つ有機置換基を持つ無機材料からできているコアから成り立っている。無機酸化物がシリカであるとき、この方法は特に有利である。初期粒子を構成する物質が金属であるとき、共有結合的グラフト反応によって固定されるカップリング剤は、有機チオールＲＳＨおよびアミンＲＮＨ_２（ここで、Ｒはポリマーまたは前記ポリマーの前駆体に対して親和性を持っている官能基Ｆ_Ｃを持つ置換基である）から選択することができる。そのようなカップリング剤の一例として、４−ビニルアニリンが挙げられる。

第三の具体例では、重合可能な基を持つ疎水性部分と、表面電荷と反対の電荷を持つ極性頭部とからなる両親媒性化合物の存在下で、初期粒子は、それが表面荷電されるように、中性に近いｐＨで懸濁される。両親媒性化合物は、静電的相互作用により初期粒子の表面に強く吸着することができる。これらの両親媒性分子（これらは、同時に表面活性的（界面活性剤の）性質を示し、かつモノマーである）は、当業者にはサーフマー（surfmer）として知られている。サーフマーの例として、スチレンスルホネート（マイナスに荷電した親水性極性頭部を持つ）、および第四級アルキルアンモニウム（プラスに荷電した極性頭部を持つ）から誘導された化合物が挙げられ、この２種の化合物は、末端が重合可能な官能基である疎水性基（たとえば長いアルキル鎖）を持つ。Ｎ，Ｎ−ジメチル−Ｎ−［１１−（ｐ−ビニルベンゾイルオキシ）ウンデシル］オクタデシルアンモニウムブロミド（これの合成は、ユング（Jung）らによって「ラングミュア（Langmuir）」２０００年、１６巻、４１８５〜４１９５頁に記述されている）は、重合可能な第四級アンモニウムの代表的な例である。

ステップ１ｂ）は、重合開始剤の存在下で、ステップ１ａ）の終わりに得られた改質された粒子を、ポリマーの前駆体である一種又はそれ以上のモノマーと接触させることによって行うことができ、前記モノマーは、官能基Ｆ_Ｃと反応しうる官能基Ｆ_Ｂを持っている。ステップ２ｂ）の重合プロセスは、反応媒体を周辺温度にまで冷却すること、またはラジカル重合防止剤を添加することによって停止させることができる。そして、反応しなかった微量のモノマーおよび開始剤や、界面活性剤および存在しうる防止剤の余剰分を除去するために、冷却した反応媒体を透析することができる。

モノマーは、好ましくは、重合可能な官能基Ｆ_Ｂとして機能するビニル基を持つ化合物から選択される。そのような化合物は、たとえば、化学式Ｈ_２Ｃ＝ＣＲＲ’（ここで、ＲよびＲ’は前述した意味を持つ）に相当する。特に、ビニル基を含むモノマー、特にスチレン、α−メチルスチレン、ビニルピリジン、酢酸ビニルまたはプロピオン酸ビニルを含むモノマーを挙げることができる。アクリル基を含むモノマー、特にメタクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、エチルヘキシルメタクリル酸エステル、アクリロニトリルまたはメタクリロニトリルタイプのビニルエステルを挙げることができる。

架橋ポリマーノジュールを得るために、上のモノマーの１種以上を含むモノマーおよび第二の基Ｆ_Ｂを含む架橋用モノマーの混合物が使用される。架橋用モノマーの例として、エチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭＡ）、ジエチレングリコールジメタクリレート、ビニルメタクリル酸エステルまたはジビニルベンゼンを挙げることができる。単官能基のモノマーに対して、架橋することができるモノマーの割合は、好ましくは、１〜１０重量％である。

水、または１００／０〜５０／５０の水／アルコール比における水−アルコール（好ましくはエタノール）混合体が溶媒として好ましく使用される。
ステップ１ｂ）の反応媒体に存在する界面活性剤は、エマルジョン中またはミニエマルジョン中で反応させることを可能にする。それは、アニオン性、カチオン性、または非イオン性界面活性剤から選択することができる。非イオン性界面活性剤としては、たとえば、ポリオキシエチレン化アルキルフェノールを使用できる。アニオン界面活性剤としては、たとえば、アルキルベンゼンスルホネートまたはアルキルスルホネートを使用できる。重合が分散液中で行われるとき、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）またはヒドロキシプロピルセルロースのようなステアリン酸系安定剤が反応媒体に添加される。これらの化合物のいくつかは、カップリング剤として挙げたものである。従って二重の機能を果たす。

ステップ２）の実施は、第一に、ステップ１）の終わりに得られた粒子のゾーンＺ１の上にグラフトするよう求められる官能基Ｆ１の性質に依存し、そして、第二に、第一のステップで使用された官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤の性質に依存する。

カップリング剤が吸着によって初期粒子に固定されるマクロモノマーであるとき、それは、ゾーンＺ２のマスキングの後、ゾーンＺ１から脱着によって簡単に除去することができる。ゾーンＺ１は、未改質の酸化物表面を構成し、前記化合物がステップ１）でゾーンＺ２をマスキングするために使用されるポリマーに対する溶媒でないという条件で、初期粒子を構成する無機材料の表面にある、ヒドロキシル官能基と反応することのできる何らかの化合物を使用して改質することができる。化合物の例として、シラン、そして特に、官能基−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２Ｘ（ここで、Ｘはアミン、チオールまたはグリシドキシ基である）を持つトリアルコキシシランを挙げることができ、前記基は、任意に、その後の他の分子とのカップリングを可能にする。トリアルコキシシランを使用してゾーンＺ１を処理する場合は、ポリマーに対する溶媒ではない別の溶媒中で処理することができる。ステップ１）と同じ溶媒を使用することが有利である。

ステップ１）の間に、官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤が初期無機粒子上に共有結合によってグラフトされるとき、経験的に、ステップ１）以前に初期粒子の表面に類似したゾーンＺ１の表面を得ることはより困難である。固定されるポリマーの性質により、官能基Ｆ_Ｃとして、ゾーンＺ１への結合が望まれる官能基Ｆ１を持つカップリング剤の使用が可能になる場合、ステップ２）は、ステップ１）と同時に実施される。Ｆ１がＦ_Ｃと一致しないとき、官能基Ｆ１を固定する前に前記官能基Ｆ_Ｃを除去する試みは、ポリマーノジュールの脱離に至ることがある。また、従来の化学方法によって官能基Ｆ_Ｃを官能基Ｆ１に転換することが好ましく、それは当業者が行う範囲内のことである。

ステップ３）の実施、すなわちポリマーノジュールの除去によるナノ粒子のゾーンＺ２のデマスキングは、物理的プロセスによって行うことが有利である。

第一の具体例において、ステップ３）は、ポリマーノジュールが超遠心分離または音波処理によって、改質されたハイブリッド粒子から脱離される最初のステップ３ａ）、およびデマスキングによって放出されるポリマー粒子が除去されるステップ３ｂ）を含む。ステップ３ａ）は、改質されたハイブリッド粒子の無機部分からポリマーノジュールを分離するのに十分な剪断力を発生する条件で、改質されたハイブリッド粒子の水性懸濁液を超遠心または音波処理することによって行うことができる。また、懸濁液は界面活性剤を含むこともできる。各々の特定の場合における具体的な実施条件の決定は、当業者が行う範囲内のことである。超遠心分離は、たとえば、ベックマンＴＬＸ−２０超遠心分離機を使用して行われ、それは、小さな試料（４×１．５ｍｌ）に対して高い遠心力を作り出し、２〜４０℃の温度制御のもとで、５，０００から１２０，０００回転／分（すなわち６２７０００ｇ）に亘る速度を提供することができる。音波処理は、たとえば、Ｆｉｓｈｅｒｂｒａｎｄ ＦＢ １１００２超音波容器内で最大電力で行うことができる。

ステップ３ｂ）において、デマスキングの後、得られた無機粒子および有機粒子を含む懸濁液を、各々少なくとも９９％の純度を持つ二相を得るために、速度、期間およびサイクル数を調節しながら超遠心分離にかけることができる。具体例としては、懸濁液を、界面活性剤の存在下で高比重の水溶性化合物、たとえば多価アルコール、ポリエーテルまたはポリアミンを添加することによって、１．０５〜２の密度とする。界面活性剤は、懸濁液中での粒子の凝集を妨げる。目標とされる密度範囲は、有機ナノ粒子のクリーミングおよび無機粒子の沈降を促進する。

第二の具体例では、改質されたハイブリッド粒子のデマスキングおよび遊離した有機粒子の分離が、同時に遂行される。たとえば、粒子がカップリング剤としてマクロモノマーを使用して固定されたポリマーノジュールを含む場合、界面活性剤および（上で規定されたような）高比重の水溶性化合物を含む前記粒子の懸濁液を超遠心分離にかける。界面活性剤は、無機粒子の表面からのマクロモノマーの移動によってデマスキングを引き起こし、分離のために懸濁液を安定化することによって、粒子の分散を促進する。高密度化合物は、その水の密度を上げることを可能にし、その粘性が凝集を抑える。超遠心分離は、水素結合の切断のために必要なエネルギーを導入すること、および無機粒子の沈降を促進する分離を加速すること、その間に、同時に上澄み液中にポリマー粒子を保持することを可能にする。

ステップ４）の間に、無機粒子のゾーンＺ２（これは、デマスキングの後に再びフリーになった）は、官能基Ｆ２で機能化することができる。たとえば、ナノ粒子のマスキングされていない表面ゾーンＺ１がトリアルコキシシランを用いて機能化され、従ってアルキル基Ｆ１を持つとき、反応の間にトリアルコキシシランでマスキングされ、ついで、デマスクイングされるゾーンＺ２の上にアミン基を固定することを想定することが可能である。このステップは、ポリマーノジュールの除去の後デマスキングされた粒子の懸濁液に、アンモニアの存在下で、たとえば、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン（γ−ＡＰＳ）を添加することによって行うことができる。

アミン基の存在および最終粒子の表面の位置選択的所在は、金のナノ粒子の固着によって明らかにすることができる。アミン基に対するそれの親和性は、特に、Ｓ．Ｌ．ウェストコット（S. L. Westcott）らによって記述された（「ラングミュア（Langmuir）」１９９８年、１４巻、５３９６〜５４０１頁）。アミン基に固定された金の粒子の所在は、ＴＥＮ顕微鏡写真で観ることができる。

本発明の位置選択的に二官能基をもつ粒子は、多くの技術的な分野で使用することができる。その化学的特徴の作用として両親媒性の適当な改質、そして特定のサイズの選択は、多数の「油／水」エマルジョン類を安定化することを可能にする。このように、粒子は、特に塗料工業において使用することができる。白色顔料（たとえばＴｉＯ_２）を含む水性の塗料に現在使用されている界面活性剤は、徐々に塗料の黄変を引き起こす。疎水基を持つゾーンＺ１を示すために表面改質されたＴｉＯ_２粒子および親水基を持つゾーンＺ２は、塗料安定剤、ついで、白色顔料の役割をうまく演ずることができた。

本発明は、例証として挙げられる以下の実施例によってさらに詳細に記述されるが、しかし、本発明がそれに限定されるものではない。

（シリカナノ粒子の調製）
塩基性の水−アルコール溶液は、平均２７重量％のアンモニアを含むアンモニアの水溶液４０ｍｌを、アルゴンを流しながら、５０℃でエタノール５００ｍｌに添加することによって調製した。均質化の後にシリカ前駆体としてテトラエトキシシラン１５ｍｌを添加し、反応媒体を、穏やかに撹拌しながら１５時間放置した。このようにして、約１００ｎｍの直径φを持つシリカナノ粒子が得られた。

合成が終った後、水に対してエタノール溶媒を交換するように蒸留水の中に浸けた透析バッグ中での連続透析によって過剰の反応物質を除去した。透析バッグは、再生されたセルロース膜から成る。膜外の水のｐＨが中性（７〜８）に近づくとき、透析は終わったと考えられる。得られた懸濁液は、透析バッグをポリエチレングリコール（３５，０００ ｇ・ｍｏｌ^−１）の約２００ｇ・ｌ^−１を含む濃厚な水溶液に浸すことによって濃縮した。続いて、最後の透析の後得られた濃縮懸濁液中のシリカの重量濃度を測定する目的で、乾燥した抽出物の量を測ることによって懸濁液中のシリカの濃度を決定した。

（マクロモノマーの吸着によるシリカナノ粒子の表面の改質）
ポリ（エチレングリコール）モノメチルエーテルメタクリレート（これは、重合可能な官能基で終わる親水性鎖を持つ巨大分子である）の水溶液を、マクロモノマーの量をシリカの１ｍ^２（シリカナノ粒子の表面は４×Π×ｒ^２（ｒはナノ粒子の平均半径である）に等しいとされると考えられる）につき約２ｍｇとする比率で、実施例１の方法の最後の透析の後得られたコロイダルシリカのナノ粒子の濃縮懸濁液に添加した。混合物を６時間撹拌した後、シリカ上への巨大分子の吸着が満足すべき程度になったと考えられた。透析は、前述の条件下で行った。

（機能的なトリアルコキシシランをグラフトすることによるシリカナノ粒子の表面の改質）
大過剰のメタクリロキシメチルトリエトキシシラン（シリカの表面１ｍ^２につき約０．１５μｍｏｌ）を、反応媒体を周辺温度にもどした後、実施例１の方法によって得られたシリカの懸濁液に添加した。反応媒体を、化合物がナノ粒子の表面に吸着するために１２時間放置し、ついで、シリカナノ粒子の表面のシラノール基とメトキシ基の加水分解−縮合反応によって化合物の共有結合的グラフト反応を確実にするために、反応器を１００℃に到達させた。続いて、得られた改質ナノ粒子の懸濁液を透析にかけた。

（ハイブリッドナノ粒子の調製）
実施例２の方法によって得られた、表面を改質したシリカナノ粒子を、以下のようにポリスチレンのノジュールを固定することによって改質した：
−ポリエチレングリコールノニルフェニルエーテルタイプの非イオン性界面活性剤（２ｍｌの蒸留水に希釈した０．３ｇ）を、界面活性剤の濃度（３ｇ・ｌ^−１）が前記界面活性剤の臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）より大きくなるように、１０ｇ・ｌ^−１の濃度で改質ナノ粒子の懸濁液１００ｍｌに添加した；
−スチレンモノマー（１０ｇ、すなわち１１ｍｌ）を、その濃度が１００ ｇ・ｌ^−１になるように添加し、得られた懸濁液が均質であることを確実にするために、混合液を激しく撹拌した；
−窒素の流れを循環することによって懸濁液を脱ガスし、その温度を徐々に７０℃（これは、スチレン重合の標準条件である）に上げた；
−約１５分後に熱平衡に達したとき、重合反応を開始させるために、ラジカル開始剤、過硫酸ナトリウムを、モノマーの０．５重量％（蒸留水２ｍｌで希釈した０．０５ｇ）の割合で添加した。均質化の後、撹拌を３００ｒｐｍに戻した；
−６０分の期間の後、反応媒体を室温に戻し、ついで、反応しなかった微量のモノマーおよび開始剤、更には過剰の界面活性剤を除くために上に述べた条件下で透析を行った。

得られた非対称性ナノ粒子は、ＴＥＭによってその特徴が明らかにされた。図１は、得られた複合型ナノ粒子の顕微鏡写真を示しており、それは「雪だるま」形をしており、そこでは、ポリマー部分のサイズが、元のシリカナノ粒子のそれ（すなわち１００ｎｍ）のままであるシリカ部分のそれより大きい。

類似した結果は、実施例３で得られた粒子を使用して、この実施例の手順を再現することによって得られた。

（複合型ナノ粒子のマスキングされていない無機部分の機能化）
実施例４にしたがって得られた、エタノール中の複合型ナノ粒子の懸濁液８ｍｌを、アンモニア水６４０μｌおよびトリメチルエトキシシラン１０μｌと混合する。撹拌しながら室温で３時間反応させ、それから、ポリスチレンマスクを分解することなくオルガノシランとシリカナノ粒子の間の共有結合を安定化させるように、その反応混合物を１時間５０℃にする。ついで、試料をエタノールで希釈し、それからＴＥＭによって検査する。シリカの自由表面上へのオルガノシランのグラフトは、シリカーポリスチレン組立部品のジオメトリーに影響を及ぼさず、そのマスクは、他の部分の機能化を妨げることなく、シリカの部分を保護することを可能にする。

（遠心分離によるナノ粒子のデマスキング）
遠心分離の前に、改質されたハイブリッド粒子の懸濁液に界面活性剤を添加することは、遠心分離の後の粒子の凝集を防ぐことを可能にする。その臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）より大きな溶液濃度においては、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）が適切な界面活性剤である。界面活性剤の濃度の影響を確認するために、実施例５で得られたナノ粒子を使っていくつかの試みを行った。

５ＣＭＣの桁のＳＤＳ濃度に対しては、４０，０００ｒｐｍの桁の遠心分離速度からマスキングが始まることが見られ、デマスキングは、約５０，０００ｒｐｍから完全になる。ＳＤＳの濃度がはるかに高い、たとえば７ＣＭＣの桁であるならば、完全なデマスキングが、２０，０００ｒｐｍの桁の遠心分離速度から得られる。改質されたハイブリッド粒子のデマスキングは、遠心分離の後、粒子懸濁液のＴＥＭ顕微鏡写真の上で観察することができる。改質されたハイブリッド粒子から分離されたポリマーノジュールには、前記ＴＥＭ顕微鏡写真上で見ることのできるノッチの形をした無機粒子の跡がある。

図２は、実施例５の方法によって得られたハイブリッド粒子の懸濁液の遠心分離の後に得られた、粒子懸濁液の２つのＴＥＭ顕微鏡写真を示している。２０℃で１５分間５０，０００ｒｐｍで遠心分離を行い、ペレットを渦巻き撹拌と音波処理によって再分散した。「ＳｉＯ_２」は、デマスキングしたシリカ粒子を意味し、「ＰＳ」は、シリカ粒子の跡に相当するノッチを示すポリスチレンノジュールを意味する。ついで、シリカ粒子のデマスキングは、ＭＥＴ写真上で計数すること（平均して５０〜１００個の対象物）によって評価することができる。脱保護の度合いは、有機粒子の総数に対する、ノッチを示すポリスチレン粒子の数の比率に相当する。

（音波処理による粒子のデマスキング）
一つの具体例としては、４．７ＣＭＣのＳＤＳの溶液に、ポリスチレンノジュールでマスキングされた（実施例５で得られた）シリカ粒子を懸濁した液を、Ｆｉｓｈｅｒｂｒａｎｄ ＦＢ １１００２超音波タンクの中で、最大出力で音波処理にかける。１０分間程度の持続時間により、加熱によるポリスチレン粒子の分解を起こさずにデマスキングの達成が可能になる。ここで再び、デマスキングは、粒子懸濁液のＴＥＭ顕微鏡写真の上で観察され、それは、無機粒子から切り離された（ノッチの形の、無機粒子の跡を持つ）ポリマーノジュールを示す。

（デマスキングの後の無機粒子およびポリマー粒子の分離）
無機粒子を沈殿させるために、実施例６の終わりに得られたデマスクキングされた粒子の懸濁液を、２０，０００ｒｐｍの速度（すなわち１７，４１７ｇ）で約１５分間遠心分離にかけた。ついで、初期の上澄み液を、４．７ＣＭＣで２２％／ＳＤＳで水−グリセリンの混合物と置換し、２０℃で５０，０００ｒｐｍ（すなわち１０８，８５４ｇ）で３回の連続的遠心分離を行った。このグリセリンは、この水の密度を上げることを可能にし、その粘性は凝集を抑える。最後に、超遠心分離は、水素結合の切断に必要なエネルギーを導入することおよびシリカ粒子の沈降を促進する分離を速めること（その間、同時に、上澄み液中にポリスチレン粒子を保持すること）の両方を可能にする。ペレットを直接水中に分散し、一方、上澄み液を純水に対して透析にかけた。図３は、遠心分離の後ペレットに含まれたシリカ粒子に対するＴＥＭ顕微鏡写真（左側）、および上澄み液に含まれたポリスチレン粒子に対するそれ（右側）を示す。類似した結果は、実施例７を使用して、本実施例の手順を再現することによって得られた。

（超遠心分離によるナノ粒子のデマスキングおよびそのナノ粒子の同時分離）
実施例４の方法によって得られたナノ粒子は、それを１５分間２０，０００ｒｐｍで遠心分離することによる沈降によって洗浄した。２０分間５０，０００ｒｐｍで水／ＳＤＳ／グリセリン混合液中で３回の連続遠心分離によって、デマスキングとシリカビーズの単離を同時に行った。３相−−シリカを含む白色ペレット；ポリスチレン、および２種のポリマーノジュールが固定されているシリカナノ粒子からなる若干の構成分子Ｍを含む不透明な上澄み液；ポリスチレンのクリーミングに由来する最上部の白い冠−−が形成される。このデマスキングの方法は、こうして、表面の一部がトリメチルエトキシシランで改質されているシリカナノ粒子を単離することを可能にする。遠心分離から生じるペレットがこのタイプのナノ粒子だけを含むからである。

図４は、左側に、単離されたポリマーナノ粒子と複合粒子Ｍを含む不透明な上澄み液を、そして右側に、ペレット中に存在する改質されたシリカナノ粒子を、示すＴＥＭ顕微鏡写真である。

（デマスキングしたシリカナノ粒子の後段機能化）
アンモニア水６４０μｌおよびγ−ＡＰＳ６μｌを、実施例６の方法においてペレットから抽出されたシリカナノ粒子のエタノール懸濁液８ｍｌに添加する。撹拌しながら室温で３時間反応させ、ついで、オルガノシランとシリカナノ粒子の間の共有結合を安定化するために、反応混合液を１時間５０℃にする。γ−ＡＰＳによって提供されたアミノ基の固定は、以下のようにして金のナノ粒子を固定することによって確認される。γ−ＡＰＳによる処置の後に得られたナノ粒子懸濁液を水に分散し、ついで、コロイド金溶液２４ｍｌを添加し、混合液を、撹拌しながら、少なくとも４時間室温に放置する。ついで、沈殿したナノ粒子を水で洗浄し、それからＴＥＭによって観察する。

図５は、金のナノ粒子での処置の後に得られたシリカナノ粒子を示す。こうして、実施例３におけるシリカナノ粒子の上に形成されたポリマーノジュールが、実施例４で記載されたトリメトキシシラン基固定段階の間、マスクとして機能していることがわかる。このように、（それに固定された金のナノ粒子によって確認可能な）ＮＨ_２官能基はナノ粒子の表面の一つのゾーンに集まっており、ＣＨ_３官能基はナノ粒子の表面の異なったゾーンに集まっているので、シリカナノ粒子は、明らかに二官能性であり、非対称である。

金のナノ粒子は、先行技術の方法によって、たとえば「クエン酸塩プロセス」法（Ａ.マイヤー（A. Meier）ら、「固体および溶液におけるナノ粒子（Nanoparticles in Solids and Solutions）」４２１〜４４９頁、１９９６年、参照）によって、または、「ＴＨＰＣ（塩化テトラキス（ヒドロキシメチル）ホスホニウム）プロセス」法（Ｔ．ファム（T. Pham）ら、「ラングミュア（Langmuir）」１８巻、４９１５〜４９２０頁、２００２年、参照）によって得ることができる。

Claims (26)

1. 無機材料からなるナノスケールまたはメゾスコピック粒子であって、その表面が２種のゾーンＺ１とＺ２に分けられ、ゾーンＺ１は官能基Ｆ１を有し、ゾーンＺ２は官能基Ｆ１と異なる官能基Ｆ２を有し、ゾーンＺ１は官能基Ｆ２を含まず、ゾーンＺ２は官能基Ｆ１を含まないことを特徴とするナノスケールまたはメゾスコピック粒子。
2. 各ゾーンの範囲が粒子の総面積の少なくとも５％を占めることを特徴とする請求項１に記載の粒子。
3. 各ゾーンの範囲が粒子の総面積の少なくとも１０％を占めることを特徴とする請求項１に記載の粒子。
4. 前記無機材料Ａが無機酸化物または金属であることを特徴とする請求項１に記載の粒子。
5. 前記無機材料が、シリカ、酸化鉄、アルミノケイ酸塩、酸化チタン（ＩＶ）およびアルミナから選ばれる無機酸化物であることを特徴とする請求項４に記載の粒子。
6. 前記金属が水性媒体中で安定である金属から選ばれることを特徴とする請求項４に記載の粒子。
7. 前記無機材料Ａがシリカであることを特徴とする請求項１に記載の粒子。
8. 請求項１に記載の粒子を調製する方法であって、以下のステップ：
   １）初期粒子の表面のゾーンＺ２にポリマーノジュールを固定することによって、初期粒子の表面をマスキングすること；
   ２）前記粒子のマスキングされなかった表面ゾーンＺ１を改質するために、ステップ１）の終わりに得られた改質された粒子を処理すること；
   ３）ゾーンＺ１を改質した後にポリマーノジュールを除去すること；
   ４）任意に、デマスキングプロセスに続いて粒子のゾーンＺ２の表面を改質すること
   を含むことを特徴とする方法。
9. ステップ１）で使用された初期粒子が球、楕円、円盤、塊または棒の形状を持つことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 初期粒子の表面のゾーンＺ２をマスキングするために使用されるポリマー（同一であっても異なってもよい）が、繰返し単位−ＣＨ_２−ＣＲＲ’−を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
    〔ここで、
    ・Ｒは、Ｈまたはアルキル基を表し、
    ・Ｒ’は、Ｈ、アルキル基、アリール基、アルキルアリール基、アルケニルアリール基、ピリジル基、ニトリル基、−ＣＯＯＲ”、または、−ＯＣ（Ｏ）Ｒ”（ここでＲ”は、Ｈ、アルキルまたはアルケニルである）を表わす。〕
11. 前記Ｒ、Ｒ’および／またはＲ”は、それぞれ独立に、官能基を持つアルキル基またはアリール基を示すことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記ポリマーが架橋されている、または架橋されていないことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記ポリマーがポリスチレン、またはスチレンとジビニルベンゼンのコポリマー（これがポリマーノジュールのための物質として特に好ましい）であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記ステップ１）が以下のステップ：
    １ａ）ポリマーＢの一種又はそれ以上の前駆体に親和性を持つ官能基Ｆ_Ｃを含むカップリング剤Ｃを使用して、初期粒子の表面を改質すること；
    １ｂ）ステップ１ａ）の終わりに得られる改質された初期粒子を、溶媒の溶液中にラジカル開始剤および界面活性剤の存在下で、初期粒子当り１個のポリマーノジュールの生成を可能にする割合で、ポリマーＢの前駆体と接触させること、
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
15. 前記カップリング剤（以後、マクロモノマーと称する）が、重合可能な官能基Ｆ_Ｃを末端に有する親水性鎖を持つ巨大分子であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記マクロモノマーがポリ（エチレンオキシド）、ヒドロキシセルロース、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（アクリル酸）およびポリ（ポリビニルアルコール）から選択され、前記化合物は官能基Ｆ_Ｃを持つことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ステップ１ａ）が、ポリマーの前駆体と共重合可能である官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤の共有結合的グラフト反応によって実施されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. 前記初期粒子を構成する物質が無機酸化物であり、共有結合的グラフト反応によって固定されるカップリング剤が化学式Ｒ^１ _ｎＳｉＸ_４ーｎ（ｎ＝１〜３、Ｘは加水分解可能な基であり、Ｒ’は前記官能基Ｆ_Ｃを含む基である）に相当するオルガノシランのような有機金属誘導体から選択されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記初期粒子が、重合可能な基を持つ疎水性部分と、表面電荷と反対の電荷をもつ極性ヘッドとからなる両親媒性化合物の存在下、粒子が表面荷電を持つように、中性に近いｐＨで懸濁されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
20. 前記両親媒性化合物が、負に荷電した親水性極性ヘッドを持つスチレンスルホナートおよび正に荷電する極性ヘッドを持つ第四級アルキルアンモニウム（これら２種の化合物は、重合可能な基を末端に有する疎水性基を持つ）から誘導された化合物から選択されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記ステップ１ｂ）が、ステップ１ａ）の終わりに得られる改質された粒子を、重合開始剤の存在下、ポリマーの前駆体である１種又はそれ以上のモノマーに接触させることによってなされ、前記モノマーは基Ｆ_Ｃと反応することが可能である基Ｆ_Ｂを持つことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
22. 前記ステップ１）に使用されるカップリング剤が、吸着によって初期粒子に固定されるマクロモノマーであり、ステップ２）において、前記マクロモノマーが、脱着によってゾーンＺ１から除去されること、ついで、前記粒子を、ゾーンＺ１の表面にあるヒドロキシル基と反応することができる化合物に接触させることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. 前記化合物が官能基−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＣＨ_２Ｘ（Ｘは、アミン、チオールまたはグリシドキシ基である）トリアルコキシシランであり、前記官能基は、任意に、他の分子とのその後のカップリングが可能であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤が初期無機粒子上に共有結合によりグラフトされ、前記官能基Ｆ_ＣがゾーンＺ１に固定される官能基Ｆ１であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
25. 前記官能基Ｆ_Ｃを持つカップリング剤が初期無機粒子の上に共有結合によりグラフトされ、前記官能基Ｆ_Ｃが化学プロセスによって官能基Ｆ１に変換されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
26. 前記ステップ３）が遠心分離または音波処理によって行われることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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