摘要：本文簡單闡述了納米材料的基本性質(zhì)和制備方法。從物理理論和實(shí)際應(yīng)用兩方面揭示了納米技術(shù)的瑰麗前景。對納米材料未來的研究方向和思路做了一定的展望。

關(guān)鍵詞：納米材料；奇異物性；納米顆粒

中圖分類號：O59文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

納米材料是指在納米量級(1~100nm)內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的具有特異性能的新材料。納米材料具有尺寸小、表面積大、表面能高、表面原子比例大的四大特點(diǎn)，并且，具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)的四大效應(yīng)。納米材料特性主要取決于制備方法，當(dāng)材料顆粒的尺寸進(jìn)入微米量級（1～100nm）時，由于其尺寸小而表現(xiàn)出一些奇特效應(yīng)和奇特的物理特性。

一、納米顆?；拘?yīng)

1.表面與界面效應(yīng)

納米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面急劇變大，引起表面原子數(shù)迅速增加，缺少近鄰配位的表面原子，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合，表現(xiàn)出很高的活性。

2.小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸變小，周期性的邊界條件將被破壞，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性均會出現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。由于顆粒尺寸所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。例如：光吸收顯著增加，所有金屬失去光澤，變?yōu)楹谏?/p>

3.量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)

對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動。電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)。

二、奇異物性

上述四個效應(yīng)是納米微粒與納米團(tuán)體的基本特性，從而導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于正常粒子，出現(xiàn)一些“反常現(xiàn)象”。這就使得它具有許多奇異物性。因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.奇異的熱學(xué)性質(zhì)

(1)熔點(diǎn)降低

由于顆粒小，納米微粒表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及納米微粒體積遠(yuǎn)小于大塊材料，因此納米粒子熔化時所增加的內(nèi)能小得多。這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。

(2)燒結(jié)溫度降低（陶瓷材料或難熔金屬）

在低于熔點(diǎn)下進(jìn)行加熱燒結(jié)，使粉末互相結(jié)合成塊，使密度接近材料的理論密度的最低加熱溫度稱為燒結(jié)溫度。

納米微粒尺寸小，表面能高，在燒結(jié)中高的界面能成為原子運(yùn)動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，因此，在較低的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的，即燒結(jié)溫度降低，燒結(jié)速度加快。

2.特殊的光學(xué)性能

光的發(fā)射與吸收與原子的狀態(tài)有關(guān)，納米顆粒大的比表面使處于表面態(tài)的原子、電子與處于顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別，甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新的光學(xué)特性。

(1)寬頻帶強(qiáng)吸收

大塊金屬具有不同顏色的光澤，這表明它們對可見光范圍．各種顏色(波長)的反射和吸收能力不同。當(dāng)尺寸減小到納米級時各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低，例如鉑金納米粒子的反射率為1%，金納米粒子的反射率小于10%。這種對可見光低反射率，強(qiáng)吸收率導(dǎo)致粒子變黑。

(2)藍(lán)移現(xiàn)象

與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波方向。例如，納米SiC顆粒和大塊SiC固體的峰值紅外吸收頻率分且是814cm-1和794cm-1。由不同粒徑的Si納米微粒吸收光譜看出，隨著微粒尺寸的變小而有明顯的藍(lán)移。

(3)新的發(fā)光光譜

硅是具有良好半導(dǎo)體持性的材料．是微電子的核心材料之一，可美中不足的是硅材料不是好的發(fā)光材料．將稀土發(fā)光材料加入到納米氧化物當(dāng)中，可提高其的發(fā)光效率，制得新型的熒光材料。

3.特殊的電學(xué)性能

傳統(tǒng)的金屬是良導(dǎo)體，但納米金屬顆粒卻強(qiáng)烈地趨向電中性，如5～15nm納米銅就不導(dǎo)電了，且電阻隨著粒徑減小而增大。而原本絕緣的SiO2在20nm時開始導(dǎo)電。

4.特殊的力學(xué)性質(zhì)

(1)陶瓷材料的良好韌性

因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力的作用下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。

(2)納米材料的強(qiáng)度、硬度和塑性

納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬-陶瓷的復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。納米材料的代表之一：碳納米管，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，是納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，它將是未來制造業(yè)的首選材料。

5.特殊的磁學(xué)性質(zhì)

(1)磁性材料

所謂磁性材料是指具有可利用的磁學(xué)性質(zhì)的材料。

任何物質(zhì)在磁場作用下都會處于磁化狀態(tài)，但各物質(zhì)的磁化強(qiáng)度卻有很大的不同。

(2)納米材料的特殊磁學(xué)性質(zhì)

納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶材料不具備的磁特性。納米微粒的主要磁特性表現(xiàn)在它具有超順磁性或高的矯頑力上。

A矯頑力提高

矯頑力的大小反映了鐵磁物質(zhì)保留剩磁的能力。

10～25nm的鐵磁性金屬顆粒的矯頑力比相同的常規(guī)材料大1000倍.。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。

B.鐵磁性到超順磁性轉(zhuǎn)變

納米微粒尺寸小到一定臨界值時進(jìn)入超順磁狀態(tài)。

特點(diǎn)：在磁場中極易磁化，但當(dāng)外加磁場消失時其磁性消失。

原因：由于磁性顆粒尺寸減小到一定值時，各向異性能與熱運(yùn)動能可相比擬．磁化顆粒就不再固定存一個易磁化方向，易磁化方問作無規(guī)則的變化。

三、納米材料的制備技術(shù)

制備技術(shù)是納米科技的關(guān)鍵。影響納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。通過不同的制備技術(shù)可以得到納米顆粒材料、納米膜材料、納米固體材料等等。

很久以前，我國人們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經(jīng)冷凝后變成很細(xì)的碳粉，實(shí)際上就是納米粉體。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天．人工制備納米材料的方法得到了很大的發(fā)展。通常采用兩個不同的途徑得到納米材料：

納米材料需要制備成各種形式以滿足各種應(yīng)用的需要，納米固體(塊體、膜)是重要的形式。它的制備方法是近幾年逐漸發(fā)展起來的。

由于納米陶瓷呈現(xiàn)出許多優(yōu)異的持性，因此引起人們的關(guān)注。目前，材料科學(xué)工作者正在摸索制備具有高致密度的納米陶瓷的工藝。

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