網絡整理 發表於 2020-03-31 10:08:06
納米材料是指三維空間尺度至少有一維處於納米量級（1-100nm）的材料，它是由尺寸介於原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。
納米材料的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。
納米材料具有一定的獨特性，當物質尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變為1000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產生明顯的差異。
指納米晶體粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大後所引起的性質上的變化。表現為直徑減少，表面原子數量增多。
超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可採用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑、貯氣材料和低熔點材料。
當納米微粒尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學等性能呈現出「新奇」的現象。隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下性質：
1、特殊的光學性質
所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。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。
金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色
由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低於l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以製造高效率的光熱、光電轉換材料，以很高的效率將太陽能轉變為熱能、電能。另外還有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等。
2、特殊的熱學性質
固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小於10納米量級時尤為顯著。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。
3、特殊的磁學性質
在研究納米材料過程中科學家發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。
小尺寸的磁性超微顆粒與大塊材料顯著不同。大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺寸減小到2×10-2微米以下時，其矯頑力可增加1000倍。若進一步減小其尺寸，大約小於6×10-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。
利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用於磁帶、磁碟、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒製成用途廣泛的磁性液體。
4、特殊的力學性質
美國學者報導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度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬—陶瓷複合納米材料則可在更大的範圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。
超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。
碳納米管是一種新型的超級材料，它的強度可以達到鋼材的300倍
當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大於熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。
量子尺寸效應：當粒子的尺寸下降到某個值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象和半導體微粒存在不連續的最高被佔據分子軌道和最低未被佔據分子軌道能級之間的能隙變寬現象。
納米粉末中由於每一粒子組成原子少，表面原子處於不安定狀態，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結，而成為良好的燒結促進材料。
微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。
宏觀量子隧道效應是基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小於勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。
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