納米材料的效應(yīng)

體積效應(yīng)                                                                        甘甘微芯：gzjr88.

當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波相當(dāng)或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。納米粒子的以下幾個方面效應(yīng)及其多方面的應(yīng)用均基于它的體積效應(yīng)。例如，納米粒子的熔點可遠低于塊狀本體，此特性為粉粉冶金工業(yè)提供了新工藝；利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁屏蔽，隱形飛機等。

表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表9-2給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系。

表1 納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處于表面的原子數(shù)越多。表面原子的晶體場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易于其他原子想結(jié)合而穩(wěn)定下來，因而表現(xiàn)出很大的化學(xué)和催化活性。

量子尺寸

粒子尺寸下降到一定值時，費米能級接近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。Kubo采用一電子模型求得金屬超微粒子的能級間距為：4Ef/3N

式中Ef為費米勢能，N為微粒中的原子數(shù)。宏觀物體的N趨向于無限大，因此能級間距趨向于零。納米粒子因為原子數(shù)有限，N值較小，導(dǎo)致有一定的值，即能級間距發(fā)生分裂。半導(dǎo)體納米粒子的電子態(tài)由體相材料的連續(xù)能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結(jié)構(gòu)的能級，表現(xiàn)在吸收光譜上就是從沒有結(jié)構(gòu)的寬吸收帶過渡到具有結(jié)構(gòu)的吸收特性。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。

量子隧道

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

介電限域

納米粒子的介電限域效應(yīng)較少不被注意到。實際樣品中，粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無機半導(dǎo)體低。光照射時，由于折射率不同產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域﹑納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場強比輻射光的光強增大了。這種局部的場強效應(yīng)，對半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響。對于無機-有機雜化材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對反應(yīng)過程和動力學(xué)有重要影響

上述的小尺寸效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng)﹑宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域應(yīng)都是納米微粒和納米固體的基本特征，這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點﹑蒸氣壓﹑光學(xué)性質(zhì)﹑化學(xué)反應(yīng)性﹑磁性﹑超導(dǎo)及塑性形變等許多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理﹑化學(xué)性質(zhì)。

現(xiàn)狀

納米技術(shù)基礎(chǔ)理論研究和新材料開發(fā)等應(yīng)用研究都得到了快速的發(fā)展，并且在傳統(tǒng)材料、醫(yī)療器材、電子設(shè)備、涂料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，除了納米粉體材料在美國、日本、中國等少數(shù)幾個國家初步實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)外，納米生物材料、納米電子器件材料、納米醫(yī)療診斷材料等產(chǎn)品仍處于開發(fā)研制階段。2010年全球納米新材料市場規(guī)模達22.3億美元，年增長率為14.8%。今后幾年，隨著各國對納米技術(shù)應(yīng)用研究投入的加大，納米新材料產(chǎn)業(yè)化進程將大大加快，市場規(guī)模將有放量增長。納米粉體材料中的納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米氧化硅等幾個產(chǎn)品已形成一定的市場規(guī)模；納米粉體應(yīng)用廣泛的納米陶瓷材料、納米紡織材料、納米改性涂料等材料也已開發(fā)成功，并初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，納米粉體顆粒在醫(yī)療診斷制劑、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用正加緊由實驗研究成果向產(chǎn)品