納米材料的多種特性

納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來絕緣的二氧化矽、晶體等，在某一納米級(jí)界限時(shí)開始導(dǎo)電。這是由于納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、原面原子所占比例大等特點(diǎn)，以及其特有的三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子效應(yīng)。

納米材料表面積效應(yīng)

納米材料體積效應(yīng)

納米材料表面積效應(yīng)

球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克納米微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米²，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。

納米微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍電子顯微鏡對(duì)金納米微顆粒（直徑為2x10^-3微米）進(jìn)行攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒，如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識(shí)地控制氧化速率，使其緩化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，納米微顆粒可望成為新一代的高效催化劑以及低熔點(diǎn)材料。

粒子尺度越小，顆粒中的原子或分子的數(shù)量越大。

納米材料的量子效應(yīng)——量子尺寸效應(yīng)

各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的納米微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)：能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在納米微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中的電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有的宏觀規(guī)律已不再成立。

納米材料的量子效應(yīng)——宏觀量子隧道效應(yīng)

電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。

例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。如利用STM探針移動(dòng)原子，形成文字或圖形并觀察到電子的所產(chǎn)生的量子駐波。

不同粒徑的銅粒子的質(zhì)量、每一粒子內(nèi)所含的原子總數(shù)、以該微粒子為單元組成1克銅材所需的總粒子數(shù)、在此單位質(zhì)量的銅材中所有粒子的表面積總合、和總表面積能量等物理量的理論估算值

不同粒徑的微粒中所含的原子總數(shù)、表面原子數(shù)所占的比例、和呈現(xiàn)粒子特性的主要效應(yīng)

納米粒子的反常特性

▇傳統(tǒng)金屬不論體積大小均屬于導(dǎo)體材料，但納米級(jí)的金屬微粒在低溫時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)所產(chǎn)生的電子能級(jí)離散，使不再具導(dǎo)體性質(zhì)，由于量子尺寸效應(yīng)所產(chǎn)生的電子能級(jí)離散，使不再具導(dǎo)體性質(zhì)，而轉(zhuǎn)變?yōu)槌尸F(xiàn)電絕緣性的材料。

▇一般PbTiO3,BaTiO3,和SrTiO3等具類鈦酸鋇結(jié)構(gòu)（perovskite-like structure）的氧化物均是典型的鐵電材料（ferroelectric materials），但當(dāng)這些氧化物的粒子尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)后，鐵電性質(zhì)逐漸消失，最后會(huì)變成順電體(paraelectricity)。

▇鐵磁性物質(zhì)的粒徑當(dāng)進(jìn)入納米級(jí)（< 5 nm）尺寸后，由于磁粒中的磁區(qū)結(jié)構(gòu)由多疇區(qū)態(tài)(multi-domain states)轉(zhuǎn)變成單疇區(qū)態(tài)（single-domain states），使得磁性納米微粒于是顯示極強(qiáng)的順磁效應(yīng)，即呈現(xiàn)超順磁性。

▇由傳統(tǒng)微粒燒結(jié)而得的陶瓷結(jié)構(gòu)體內(nèi)，原子之間是以強(qiáng)而有力的典型共價(jià)鍵鍵結(jié)在一起，但若是使用粒徑僅為十幾納米的氮化矽（Si3N4）納米微粒所組成的納米陶瓷結(jié)構(gòu)，則納米粒表面已不再具有典型的共價(jià)鍵特微，且界面間的鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，使得在交流電下所測(cè)得的復(fù)數(shù)交流電阻（complex ac resistance）值很小。

▇傳統(tǒng)的鉑（Pt）材料是為銀色，且具化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定的惰性貴重金屬。若制成納米微料，則其外觀會(huì)由銀色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，故被稱為鉑黑。且因尺寸效應(yīng)和大比例的表面積效應(yīng)使之從惰性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成為活性極好的催化劑。

▇一般金屬的色澤是由于可見光照射到金屬表面，因?qū)Σ煌囟úㄩL(zhǎng)的可見光產(chǎn)生反射后，而呈現(xiàn)出各種美麗光澤所得的特征顏色。然而，由于小尺寸和表面效應(yīng)的存在，使得納米金屬微粒的表面對(duì)所有可見光具有極強(qiáng)的吸收能力，致使納米金屬微粒對(duì)可見光的反射能力顯著地下隆許多，甚至下降至1%以下。

▇由較寬化的吸收光譜測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米微粒所組成的納米固體材料不同波長(zhǎng)的可見光具有均勻一致的吸收性，譬如納米復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)材料在7~17GHz頻率范圍內(nèi)的吸收峰高達(dá)14dB，而在10dB水平的吸收頻寬則可寬達(dá)2GHz。

▇晶粒尺寸約為6 nm的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度相較于一般多晶形（polycrystal）的Fe塊體材料高了12倍之多。

▇納米Cu晶體的自擴(kuò)散（self-diffusion rate）是傳統(tǒng)Cu晶體的1016至1019倍之多;而納米Cu粒子在晶界處的原子擴(kuò)散率也高達(dá)傳統(tǒng)Cu晶體的103倍。

▇納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)（diluted refrigenerator）的熱交換器效應(yīng)較傳統(tǒng)Ag材料高30%。

▇納米磁性金屬的磁化率值比普通磁性金屬高20倍以上，但飽和磁矩比普通磁性金屬低。

納米材料的光學(xué)性質(zhì)——寬頻強(qiáng)吸收特性

當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的寶貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在納米微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬納米顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。也可?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

納米材料的光學(xué)性質(zhì)——吸收帶藍(lán)移

當(dāng)粒徑小到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能階附近的電子能階發(fā)生離散，而半導(dǎo)體的能隙變寬。根據(jù)九保理論，當(dāng)δ>KBT時(shí)才會(huì)產(chǎn)生能級(jí)離散。據(jù)此可估算1K時(shí)，Ag粒子do<14nm時(shí)即出現(xiàn)離散，由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體。當(dāng)溫度提升時(shí)，離散臨界尺寸do變小。此即量子尺寸效應(yīng)，能隙變寬為納米微粒子吸收帶[藍(lán)移]的合理解釋。

納米材料的光學(xué)性質(zhì)

納米材料的吸收光譜特性

納米材料的光學(xué)性質(zhì)——半導(dǎo)體粒子發(fā)光特性

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納米材料的特殊磁學(xué)性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在納米微磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性納米微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的超磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在超磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為2x10^-2微米的磁性氧化物顆粒。

小尺寸的納米微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80 Oe，而當(dāng)顆粒尺寸減小到2x10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6x10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性納米顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高儲(chǔ)存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

納米材料的力學(xué)特性

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的介面，介面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。

美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3-5倍。至于金屬—陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)特性，其應(yīng)用前景十分寬廣。

納米微粒在低溫下燒結(jié)起始的實(shí)例

納米材料的其它特性

▇提高自擴(kuò)散性-高晶界密度8nm銅自擴(kuò)散系數(shù)高于塊材約一千倍

▇較高比熱-晶格振動(dòng)較易6 nm Pd于150K及302K時(shí)的比熱分別較塊材多29%和53%