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第7章 纳米材料的特性

以上我们介绍了纳米技术及其应用,从而使我们了解到了纳米技术是多么的神奇。但是,在纳米的世界里,还有一种物质被称为纳米材料,它在纳米的世界里也有着举足轻重的地位。那么,它究竟是怎么样的一种物质呢?

纳米材料是指会产生物理化学性质显著变化的细小微粒,它的尺寸在0.1微米以下,也就是在100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也就是我们通常所说的纳米材料。

1.表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比,随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。也就是说,纳米晶体粒表面的原子数越多,它排列开时所占的界面就越大。例如纳米晶体粒子的直径为10纳米时,微粒包含有4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。粒子直径变小,其晶体表面原子数量就会相应增多。那么,这种效应对纳米材料有什么影响呢?对于不同的纳米材料,由于构成它的原子大小不一样,因此它的表面比也就不一样,因而它所具有的特性也不一样。例如金属纳米粒子在空中会燃烧,无机纳米粒子则会吸附气体等。

2.小尺寸效应

我们知道纳米材料非常微小,当它的微粒尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等具有物理特征的尺寸相当或者更小时,就会发生小尺寸效应,也就是说它的周期性边界将被破坏,使它原本所具有的声、光、电、磁、热力学等特性呈现出“另类”的现象。当铜颗粒达到纳米尺寸时就会失去原来的导电性能,变得不能导电;而原本绝缘的二氧化硅颗粒,当它的尺寸小到20纳米的时候反而会具有导电性能;原本性能很脆的高分子材料,在加入纳米材料而制成刀具后,它的硬度会比金刚石制品还要坚硬!由于纳米材料具有这一特性,人们可以利用它,高效率地将太阳能转变为热能、电能,并且还能把它应用到红外敏感元件、红外隐身技术上等。

3.量子尺寸效应

什么是量子尺寸效应呢?它是指当粒子的尺寸达到纳米量级时,原来粒子所具有的能量会出现分级的现象,当这些能量级的间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,就会出现纳米材料的量子效应。这一效应能够使它的磁、光、声、热、电以及超导电性能发生变化。例如,某种金属的纳米粒子吸收光线能力非常强,在重1千克左右的水里只要放入千分之一的这种粒子,水就会变得完全不透明了。这就是这种粒子的能量发生了变化,使原本清澈的水变得浑浊了。

4.宏观量子隧道效应

纳米粒子的磁化强度具有隧道效应,它们可以穿过宏观系统的势垒(积累空间电荷的区域)而产生变化,这就是纳米粒子的宏观量子隧道效应。

我们知道纳米材料的4个特征后,那么,纳米材料有哪些分类呢?纳米材料的分类有很多种,从它的形态上来分主要包括的有纳米微粒、纳米薄膜(多层膜和颗粒膜)、纳米固体等;从应用上来分主要有高分子纳米生物材料、纳米陶瓷材料以及纳米复合材料等。下面我将就这两方面的分类分别对它们进行阐述。

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