纳米材料的小尺寸效应
纳米材料的小尺寸效应
吴顺康 四川大学生命科学学院2016级生命科学拔尖班
小尺寸现象产生的原因：
纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为100 ～10000 个 ，其中有 50 ％左右为界原子 ，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它 的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质 。
小尺寸效应导致的性质（以及部分应用）
由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。⑵利用这一性质，可以通过控制颗粒 尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。⑴此外，金属超微颗粒的光反射率极低，可低于1%，大约几毫米就可以完全消光。可以利用此特性，高效持续的将太阳能转化为热能和电能。 在物质超细微化之后，纳米材料的熔点显著降低，犹在颗粒直径为10纳米时较为明显，例如金（Au ）常规熔点在1064度；然而在颗粒尺寸减少到2纳米时仅为327度；由此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。使用超细银粉，可以使膜厚均匀，覆盖面积大，省料而质量高。
纳米小尺寸效应的应用：
纳米材料作为功能材料与产业技术的结合，具有很多潜在的应用价值。小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同，在颗粒尺寸下降到0.02微米以下之后，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小尺寸，其矫顽力反而可以降到0，呈现出超顺磁性。利用超顺磁性颗粒的矫顽力特性，可以将磁性材料制造为用途广泛的液体。⑶ 21世纪的信息社会 ，要求记录材料高性能化和高密度化 ，而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件 。磁性纳米微粒由于尺寸小 ，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量，如日本松下电器公司已制出纳米级微粉录像带，其图像清晰、信噪比高、失真十分小；还可制成磁性信用卡、磁性钥匙 、磁性车票等。将磁性纳米微粉通过界面活性剂均匀分散于溶液中制成的磁体，在宇航、磁制冷、显示及医药中已广泛应用。⑴ 纳米粒子的高比表面积、高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料。外界环境 (如温度 、光 、湿度 等 ) 的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子输运的变化，利用其电阻的显著变化可以制成传感器 ，而且响应速度快，灵敏度高 。20世纪 80年代 初 ，日本已研制出SnO ，纳米薄膜传感器 ，纳米陶瓷材料传感器也具有很大潜力 。例如利用 纳 米LiNbO ，LiTiO ，PZT 和SrTiO 的热电效应，可制成红外检测传感器。
纳米材料由于具有特殊的光学性能，可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸电磁波隐形飞机军舰材料等 。如用纳米微粒制成的光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗；红外线反射膜材料可用于节能方面等 。
陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性，(由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱) ，纳米金属同体的硬度比一般粗晶体材料高3～5倍，由氟化磷酸钙等纳米材料构成的人的牙齿具有很高的强度，当材料或那挚特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内时特性就会改
变。固体物质在粗晶体尺寸时有其固体的溶点，超微化后则熔点降低(如银的常规溶点为690℃，超细银溶点变为100℃；在钨颗粒中加入O ．1％～0．5％的质量比的纳米Mi 粉，烧结温度可从3000℃降为1200～1300℃) ，超微粒子的小尺寸效应除在热学性质表现明显，还表现在导电性、介电性、声学性、化学性能方面。⑴
总结
21 世纪，社会生产力的迅速发展对材料性能提出了更新 、更高的要求，材料的尺寸也越小。而纳米材 料将是起重要作用的关键材料之一，凭借纳米材料的原料高利用率、功能运用前景广阔、应用领域广泛、高科学技术含量、物理化学性质突出等特点。它将是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来国家的工业、经济和社会发展有着十分重要影响的一类材料。这种人们肉眼看不见的极微小的物质类别一定会给信息、生物工程 、能源 、环境 、先进制造技术、国防各个领域带来一场划时代性的技术变革。
参考文献：
⑴、《纳米材料的性能及其应用领域》
高新 ，李稳宏 ，王锋 ，杨清翠
(西北 大学 化学工程 系，陕西 西 安 7 10069 )
⑵Tomanek D and Enbody R J. Science and application of Nanotubes 2000
⑶《纳米科技》第三期 Jun 2004