【文章內(nèi)容簡介】 沸水 中 就可 以 溶 化， 納 米 鐵和 空 氣中的氧就能激烈的反應燃燒起來。 納米 固 體中 的 原子 排 列既 不 同于 長 程有 序 的晶 體 ，也不 同 于 長程 無 序 、短 程有序 的“ 氣 體狀” ( gas lik e )固 體結(jié) 構(gòu)，是一 種 介于 固 體和 分 子間 的 亞 穩(wěn)中 間 態(tài)物質(zhì)。因此 ，一 些 研究 人 員把 納 米材 料 稱之 為 晶態(tài) 、非 晶 態(tài)之 外 的“ 第 三態(tài) 晶 體材料”。 正 是 由 于 納 米材 料 這 種特 殊 的 結(jié)構(gòu) ， 使 之產(chǎn) 生 四 大效 應 ， 從而 具 有 傳 統(tǒng)材料所不具備的物理、化學性能，表現(xiàn)出獨特的光、電、磁和化學特性。 小尺寸效應 莊子 曾 經(jīng)說 過：“ 一尺 之 棰， 日 取其 半 ，萬 世 不 竭”。用 現(xiàn) 代科 學 語言 來 說，或許 可 以理 解 為物 質(zhì) 的無 限 可分 性 。即 是 說局 部 具 有和 整 體相 同 的性 質(zhì) 。然 而，實際 上，當 對這 個“ 棰”不 斷分 割 到達 一 定程 度 時，其性 質(zhì) 將會 發(fā) 生 根本 性 的變化。 例 如， 假 如這 個 “棰 ” 是由 銅 制成 的 ，當 把 它 截成 10 n m 以 下 時 ，就 會 失去金屬 光 澤 ，變 成 黑糊 糊 的東 西 。如果 對 它進 行 加熱 ，可以 發(fā) 現(xiàn)它 在 遠 低于 銅 的熔點時 就 會熔 化 。測量 一 下硬 度 、導電 性 等諸 多 理化 性 質(zhì)，就 會發(fā) 現(xiàn) 它 已經(jīng) 完 全不同于 原 來的“ 銅棰 ”了。實 際上 ，這 是 納米 尺 度 的物 質(zhì) 所具 有 的共 同 性質(zhì) 。當金屬或 非 金屬 被 制備 成 小于 一 定尺 度 的粉 末 時， 其 物 理性 質(zhì) 就發(fā) 生 了根 本 的變 化，具有 高 強度 、高 韌 性、高比 熱、高 導電 率、高 擴散 率 及對 電 磁波 具 有 強吸 收 性等性質(zhì) 。第 8 章 現(xiàn) 代化 學 的研 究 進展 納 米 鐵材 料 的斷 裂 應力 比 一般 鐵 材料 高 12 倍，氣體 在 納米 材 料中 的 擴散 速 度比 在 普通 材 料中 快 幾 千倍；納 米磁 性 材 料的 磁 記錄密度 可 比普 通 的磁 性 材料 提 高 10 倍 ，納 米 顆粒 材 料與 生 物細 胞 結(jié) 合力 很 強等 等?！傲孔円鹳|(zhì)變”這個哲學原理，在納 米 世界 里 得 到了 充 分的 體 現(xiàn)。 環(huán)保新疆界 —— 硅藻納米復合光觸媒 【 page 9 of 52】 LIAONING LONGQING ENVIROMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Add：遼寧省沈陽市皇姑區(qū) ,崇山中路 66 號 ,遼寧大學（主樓）蕙星樓 ,分析測試中心 103 室 (110036) Tel： 024– 62202003 Fax： 02462203023 《 遼寧龍清 LLQH2 型硅藻納米復合光觸媒 技術(shù)文檔 》 Solution for indoor environmental protection 納米 粒 子的 這 些小 尺 寸效 應 為實 用 技術(shù) 開 拓了 新 領(lǐng) 域。例 如 ，納 米 尺 度的 強磁性顆粒（ FeCo 合金 、 氧化 鐵 等），當 顆 粒尺 寸 為單 磁 疇 ma g ne tic do main）臨 界 尺寸 時 ，即把 它 做成 大 約 20— 30 n m 大小 ，它 的磁 性 要 比原 來高 10 0 0 倍。可 制成 磁 性信 用 卡、磁性 鑰 匙、磁性 車 票等 ，還 可 以 制成 磁 性液 體，廣泛 地 用于 電 聲器 件 、阻 尼 器件 、旋轉(zhuǎn) 密 封、潤 滑、選 礦等 領(lǐng) 域。納 米微 粒 的熔點可 遠 低于 塊 狀金 屬 。例 如 2 n m 的 金顆 粒 熔點 為 6 0 0 K， 隨 粒徑 增 加 ，熔 點 迅速上升 ， 塊狀 金 為 1 3 37K ， 此特 性 為粉 末 冶金 工 業(yè)提 供 了新 工 藝。 利 用 等離 子 共振頻率 隨 顆粒 尺 寸變 化 的性 質(zhì) ，可以 通 過改 變 尺寸 ，控 制吸 收 峰的 位 移 ，制 造 具有一定頻寬的微波吸收納米材料，可用于電磁波屏蔽、隱形飛機等。 表面效應 （ sk in e ffe ct） 球型 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 的 變 小 ，比 表 面 積 將會顯著 地 增加 ，顆 粒表 面 原子 數(shù) 相對 增 多 ，從 而 使這 些 表面 原 子具 有 很 高的 活 性且極不穩(wěn)定，致使顆粒表現(xiàn)出不一樣的特性，這就是表面效應。 對直 徑 大于 0 . 1 微 米 的顆 粒 表面 效 應可 忽 略不 計 ，當 尺 寸小 于 0 . 1 微 米時 ，其表 面 原子 百 分數(shù) 激 劇增 長 ，甚 至 1 克 超 微顆 粒 表面 積 的總 和 可高 達 10 0 米 2，這 時 的 表 面 效 應 將 不 容 忽 略 。 若 用 高 倍 率 電 子 顯 微 鏡 對 金 超 微 顆 粒 （ 直 徑 為 2*10 3 微 米 ）進 行 電視 攝 像，實 時觀 察 發(fā)現(xiàn) 這 些顆 粒 沒有 固 定的 形 態(tài) ，隨 著 時間的 變化 會 自 動形 成 各 種形 狀 （ 如立 方 八 面體 ， 十 面 體， 二 十 面體 多 李 晶等 ），它既不 同 于一 般 固體 ，又 不同 于 液體 ，是 一種 準 固體 。在電 子 顯微 鏡 的 電子 束 照射下， 表 面原 子 仿佛 進 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，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 納米 微 粒尺 寸 越 小 ，表 面能 越 高，位 于表 面 的原 子 或分 子 所占 的 比 例非 常 大。并隨 納 米粒 子 尺寸 的 減小 而 急劇 增 大。 【 表 1】 給出 了 納米 粒 子的 尺 寸 與表 面 原子數(shù)的關(guān)系。 【 表 1】 表面原 子數(shù) 與 粒子 大 小的 關(guān) 系 環(huán)保新疆界 —— 硅藻納米復合光觸媒 【 page 10 of 52】 LIAONING LONGQING ENVIROMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Add：遼寧省沈陽市皇姑區(qū) ,崇山中路 66 號 ,遼寧大學（主樓）蕙星樓 ,分析測試中心 103 室 (110036) Tel： 024– 62202003 Fax： 02462203023 《 遼寧龍清 LLQH2 型硅藻納米復合光觸媒 技術(shù)文檔 》 Solution for indoor environmental protection 納米 粒 子尺 寸 d（ nm） 包 含 總 原 子 數(shù)（個） 表 面 原 子 所 占比例（％） 10 30 0 0 0 20 4 40 0 0 40 2 25 0 80 1 30 99 表面 原 子數(shù) 的 增加 導 致了 性 質(zhì)的 急 劇變 化。這 種表 面 原子 數(shù) 隨納 米 粒 子尺 寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的顯著變化稱為表面效應。納米級結(jié)構(gòu)尺寸減小，表面 原 子數(shù) 迅 速增 加，比 表面 積、表 面積 及 表面 結(jié) 合能 迅 速 增大 。由 于 表面原子 數(shù) 的增 加 、原子 配 位的 不 足必 然 導致 納 米結(jié) 構(gòu) 表面 存 在 許多 缺 陷 。從 化 學角度來 看 ，表面 原 子所 處 的鍵 合 狀態(tài) 或 鍵合 環(huán) 境與 內(nèi) 部原 子 有 很大 的 差異 ，常 常處于不 飽 和狀 態(tài) ，導致 納 米材 料 具有 極 高的 表 面活 性 ，很容 易 與其 它 原子 結(jié) 合 。納米顆粒表現(xiàn)出來的高催化活性和高反應性，納米粒子易于團聚等均與此有關(guān)。 量子尺寸效應 理解 量 子尺 寸 效應 需 要量 子 力學 和 固體 能 帶理 論 知 識。原 子 是由 原 子 核和 核外電 子 構(gòu)成 的 ，電 子 在一 定 的軌 道 (或能級 )上 繞 核高 速 運動 。單 個 原 子的 電 子能級是 離 散的 ，這是 微 觀粒 子（電 子 、質(zhì) 子 等）普 遍具 有 的 量 子 化的 特 點。而 當眾多原 子 聚集 到 一起 形 成固 體 時 ，原 子 之間 的 相互 作 用導 致 能 級發(fā) 生 分裂 ，最 后形成能 帶 。大塊 物 質(zhì)由 于 含有 幾 乎無 限 多的 原 子 ，其 能 帶基 本 上是 連 續(xù)的 ，這 就好象一 個 圓錐 體 的麥 堆 ，當你 從 遠處 觀 察時 ，其 邊緣 線 是一 條 圓滑 的 連續(xù) 曲 線 ，而當你 走 近時 卻 發(fā)現(xiàn) 并 不是 連 續(xù)的 ，而 是一 個 個的 麥 粒 。對 于 只有 有 限 個原 子 的納米顆 粒 來說 ，當 粒徑 小 到 一定 程 度時 ，能 帶變 得 不再 連 續(xù) 。當 能 級 間距 大 于熱 能、磁能 、 靜電 能 、光 子 能量 或 超導 態(tài) 的凝 聚 能時 ， 就 會出 現(xiàn) 所謂 的 量子 尺 寸效 應，導致 納 米顆 粒 的光 、 電、 磁 、聲 、 熱等 性 質(zhì)與 宏 觀 特性 有 著顯 著 的差 異 。例 如，溫度為 1Ｋ時， 直徑 小 于 1 4 nm 的銀納米顆 粒會 變 成絕 緣 體。 環(huán)保新疆界 —— 硅藻納米復合光觸媒 【 page 11 of 52】 LIAONING LONGQING ENVIROMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Add：遼寧省沈陽市皇姑區(qū) ,崇山中路 66 號 ,遼寧大學（主樓）蕙星樓 ,分析測試中心 103 室 (110036) Tel： 024– 62202003 Fax： 02462203023 《 遼寧龍清 LLQH2 型硅藻納米復合光觸媒 技術(shù)文檔 》 Solution for indoor environmental protection 宏觀量子隧道效應 電子 既 具有 粒 子性 又 具有 波 動性 ，因 此存 在 穿透 勢 壘的 隧 道 效應 。近 年來 人們發(fā) 現(xiàn) 一些 宏 觀物 理 量 ，如 微 粒的 磁 化強 度 、量子 相 干器 件 中的 磁 通 量等 也 具有隧道 效 應 ，稱 為 宏觀 量 子隧 道 效應 。宏 觀量 子 隧道 效 應對 基 礎研 究 及 實用 都 有重要意 義。它 限定 了 磁帶 、磁 盤 進行 信 息貯 存 的時 間 極限 。量 子 尺 寸效 應、隧 道效應將 會 是未 來 微電 子 器件 的 基礎 ，或 者 說它 確 定了 現(xiàn) 存微 電 子器 件 進 一步 微 型化的極 限。第 8 章 現(xiàn)代 化 學的 研 究進 展 需要 指 出的 是 ，只 有 當納 米 粒 子的 尺 寸小到一 定 程度 時 ，物質(zhì) 的 性質(zhì) 才 會發(fā) 生 突變 ，出 現(xiàn)特 殊 性能 。這種 既 具 有不 同 于原來組 成 的原 子 、分子 ，也不 同 于 宏觀 的 物質(zhì) 的 特殊 性 能構(gòu) 成 的材 料 ，即為 納 米材料。如果 僅 僅是 尺 度達 到 納米 ，而 沒 有特 殊 性能 的 材料 ，也 不 能 叫納 米 材料 。過去，人們 只 注意 原 子、分子 或 者宇 宙 空間 ，常 常 忽略 這 個中 間 領(lǐng) 域，而這 個 領(lǐng)域?qū)嶋H 上 大量 存 在于 自 然界 ，只 是以 前 沒有 認 識到 這 個尺 度 范圍 的 性能 。其 次 ，不同類 型 的納 米 粒子 發(fā) 生這 種 突變 的 臨界 尺 寸是 不 同 的，并 且 即使 是 同 一種 納 米粒子，呈現(xiàn)納米材料的某些不同的特異性能所需要的臨界尺寸也可能是不同的。 【 3】 .納米材料的基本物理和化學性 質(zhì) 電學性能 金屬 為 導體 ，但 納米 金 屬微 粒 在低 溫 由于 量 子尺 寸 效應 會 呈 現(xiàn)電 絕 緣性 ；納米半 導 體材 料 的介 電 常數(shù) 隨 測量 頻 率的 減 小呈 明 顯 上升 趨 勢，而 相 應 的常 規(guī) 半導體材 料 的介 電 常數(shù) 較 低，在低 頻 范圍 內(nèi) 介電 常 數(shù)的 上 升趨 勢 遠遠 低 于 納米 半 導體材料 ；并 且在 低 頻范 圍 ，納 米 半 導體 材 料的 介 電常 數(shù) 呈現(xiàn) 尺 寸效 應 ，即粒 徑 很小時，其介 電 常數(shù) 較 低，隨粒 徑 增大 ，介 電 常數(shù) 先 增加 然 后下 降，在 某 一臨 界 尺寸呈極大值。 熔點與燒結(jié)性能 納米 微 粒的 熔 點 、開 始 燒結(jié) 溫 度和 晶 化溫 度 均比 常 規(guī)粉 體 低 得多 。由 于顆 粒 環(huán)保新疆界 —— 硅藻納米復合光觸媒 【 page 12 of 52】 LIAONING LONGQING ENVIROMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Add：遼寧省沈陽市皇姑區(qū) ,崇山中路 66 號 ,遼寧大學（主樓）蕙星樓 ,分析測試中心 103 室 (110036) Tel： 024– 62202003 Fax： 02462203023