林左鳴

納米材料及其制備、應(yīng)用技術(shù)，是當(dāng)前世界高科技領(lǐng)域中最重要的前沿領(lǐng)域之一。實際上，中國是世界上最早應(yīng)用納米材料及其技術(shù)的國家，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)：早在1000年前，中國古人利用燃燒的蠟燭形成煙霧制作炭黑，這種炭黑就是一種納米材料，并以它作為墨的原料[1]。中國有紙壽千年的說法，一些以紙質(zhì)形式保留下來的古代文獻(xiàn)，恐怕有一半的功勞應(yīng)歸功于由納米材料做成的墨，因為它有著附著力強、不易褪色的特殊性能，使文獻(xiàn)逾千年之后仍清晰可辨。今天，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的特質(zhì)材料，當(dāng)其基本微粒的尺寸為10-9m至10-7m之間，也就是物質(zhì)材料尺寸達(dá)到1nm至100nm之間時，往往會使材料的性能發(fā)生突變，表現(xiàn)出過去不曾為人們所理解的特殊性能。這些特殊性能，既不同于組成物質(zhì)的原子、分子原來所具有的微觀性質(zhì)，又不同于物質(zhì)材料的宏觀物理性質(zhì)。有文獻(xiàn)指出納米材料所處的領(lǐng)域是“介觀領(lǐng)域”或“中尺度領(lǐng)域”[2]，材料處于介觀領(lǐng)域會出現(xiàn)很多奇異和嶄新的物理或化學(xué)特性。那么納米材料特性之所以產(chǎn)生的機理是什么？本文將在已有的研究基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的探索并試圖提出一些假說。

一、已知的納米材料基本效應(yīng)的表現(xiàn)

對納米材料的研究表明，目前人們對納米材料產(chǎn)生的特性及所形成機理的認(rèn)識，主要集中在尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等幾個方面[1]。而實際上無論是尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)，還是量子隧道效應(yīng)，最終都必定涉及到基本粒子的活動機理。已有的研究表明，人們在分析尺寸效應(yīng)時，不得不討論到小尺寸（nm級）系統(tǒng)的量子效應(yīng)，認(rèn)為“所謂量子尺寸效應(yīng)，是指當(dāng)粒子尺寸下降到最低值時，費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)變?yōu)殡x散態(tài)的現(xiàn)象?！盵2]而這種情況的出現(xiàn)，是導(dǎo)致納米材料諸多特性產(chǎn)生的原因之一。同樣，人們在分析納米材料的表面與界面效應(yīng)時指出，“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，納米粒子粒徑的減小，最終會引起其表面原子活性增大，從而不但引起納米粒子表面原子輸送和構(gòu)型的變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化?！盵1]而所謂的隧道效應(yīng)就是微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。毫無疑問，這類效應(yīng)的機理分析進(jìn)一步表明了我們必須從微觀粒子的層面去探究問題的必要性。

實際上，物質(zhì)材料的尺寸單位達(dá)到1nm至100nm之間時性質(zhì)發(fā)生了改變，是由于納米材料的尺寸變小后，影響了材料費米能級（EF）的正常作用，材料粒子內(nèi)部力的狀態(tài)受到影響而發(fā)生重要變化；同時由于納米材料粒子表面積大幅增加，也導(dǎo)致了粒子團(tuán)之間交合作用的面積增大。這些因素都會使物質(zhì)材料中電子的自由度和原子自由度增大，形成了寬自由度運動，這種運動狀態(tài)的變化正是納米材料出現(xiàn)一些特殊性質(zhì)的重要直接原因。然而其背后，則涉及到基本粒子的結(jié)構(gòu)、運動、能量變化等深層次的問題。因此，我們有必要對相應(yīng)的基本粒子在納米材料中運動的問題進(jìn)行深入探析，并進(jìn)行必要的猜想和提出必要的假說。

二、基本粒子的維度結(jié)構(gòu)及結(jié)合力（能量結(jié)構(gòu)）與納米材料特性的關(guān)系

迄今為止，人們知道基本粒子中原子是由電子和原子核所構(gòu)成，原子核則由中子和質(zhì)子所構(gòu)成，它們之間具有極強的結(jié)合力。核能量就是釋放這種結(jié)合力的利用。人們還知道，中子和質(zhì)子之中又有不同特性的上、下夸克，這些基本粒子之間的結(jié)構(gòu)和運動是形成強大核力的原因。那么究竟是哪些基本粒子，以什么方式進(jìn)行運動，并在運動中形成了物質(zhì)的基本結(jié)合力呢？了解這些情況，或許會幫助我們弄清納米材料的特性。

我們認(rèn)為，在原子活動中容易發(fā)生變化的電子應(yīng)該是一個處于非平衡狀況下的特殊結(jié)構(gòu)。假定電子是由兩個磁粒子所組成，其中一個是完整的磁粒子，而另一個是缺失一個迷粒子[3]的磁粒子，則這個時候電子實際上是一個不對稱結(jié)構(gòu)的粒子。電子正因為處于不對稱結(jié)構(gòu)，所以它容易分解也容易結(jié)合。接著我們再來分析原子核的結(jié)構(gòu)，我們知道原子核是由中子和質(zhì)子在基本核力作用下所構(gòu)成，無論是中子或者質(zhì)子，都存在著夸克。假定夸克外圍存在的粒子是膠子，那么膠子就是傳導(dǎo)夸克間能量的粒子。也就是說如果我們從基本核力的角度來考慮，基本粒子的維度結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)該是以膠子——夸克粒子作為基本單元的合成維度結(jié)構(gòu)。當(dāng)夸克之間通過膠子來進(jìn)行能量連續(xù)傳導(dǎo)交換的運動，從而形成了其所構(gòu)成的能量連續(xù)傳導(dǎo)和交換時，就發(fā)生了光色隨向性運動[4]，從而使粒子間發(fā)生交合，并合成為由粒子所構(gòu)成的團(tuán)態(tài)物質(zhì)，而這正是起關(guān)鍵作用的基本核力。

設(shè)想粒子通過核力結(jié)合在一起時，是以核力的強弱點進(jìn)行有選擇性的結(jié)合，我們把這種情況稱之為：強弱預(yù)選性。也就是說，由于原子量的不同，造成預(yù)選的結(jié)合位置點數(shù)可以是一個，也可以是多個；就是說這是由原子間強、弱核力點多少來決定的，當(dāng)然也與原子量的多少有關(guān)，原子量多時，預(yù)選的位置數(shù)就多，反之則少。如前所述納米材料的原子的寬自由度運動和交合的形態(tài)，正是因為粒子間的核力結(jié)合預(yù)選位置數(shù)多于常態(tài)的物質(zhì)材料，從而形成了具有自由態(tài)的變性形態(tài)，所以使納米材料表現(xiàn)出特殊性能。

通常我們把基本粒子的夸克分為上夸克和下夸克。如設(shè)定上夸克是能量夸克，下夸克則是虛量夸克。上下夸克間的能量傳導(dǎo)交換通過具有最小智慧形態(tài)的粒子（膠子）[3]，經(jīng)過光色排序后，把上夸克（能量夸克）的能量向下夸克（虛量夸克）傳導(dǎo)。虛量夸克（下夸克）在能量輸入過程中，成為了能量夸克（上夸克），而能量夸克（上夸克）輸出能量后，則變成為了虛量夸克（下夸克）。我們假定夸克都是由x103個迷粒子構(gòu)成的，而膠子則是傳導(dǎo)夸克間能量的粒子。在夸克粒子之間，通過膠子為“橋梁”，使得能量連續(xù)進(jìn)行交換的運動，可以稱之為：動態(tài)核力。也就是說，核力只有動態(tài)的，沒有靜態(tài)的。物質(zhì)是在運動中結(jié)合，運動中分解。所以，物質(zhì)的基本核力始終處于動態(tài)的形態(tài)。在這樣的動態(tài)核力作用下，上下夸克都是以能量不斷交換的形態(tài)存在著的。即上夸克釋放能量后成為下夸克，而下夸克接收能量后成為上夸克。所以，就從能量交換的意義上來說，夸克實際上沒有嚴(yán)格的上、下之分，有能量就是上夸克，沒有能量就是下夸克。

原子中的膠子在連續(xù)傳導(dǎo)、交換夸克能量的過程中，會把能量中的部分余量光色，合成為核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵。一般膠子只是處于上夸克與下夸克之間，承擔(dān)著進(jìn)行能量傳導(dǎo)、交換的任務(wù)。而原子核之間的能量交換（即核約束力）是通過貝粒子流來完成的，也就是我們通常所說的粒子間的結(jié)合鍵，實際上就是貝粒子流。貝粒子是由兩個單奇子所構(gòu)成[3]，貝粒子是單奇子之上的粒子，貝粒子到迷粒子之間應(yīng)該還存在著無數(shù)的粒子。

可以認(rèn)為，在所有粒子能量傳導(dǎo)中，貝粒子流是主導(dǎo)著能量傳導(dǎo)的傳導(dǎo)體，迷粒子是在貝粒子流通過粒子時，形成了迷粒子之間的連接方式。從宏觀上來看，我們稱之為是以鍵的形態(tài)存在，而實際上鍵是以貝粒子流的作用而形成的。所以，形成余量光色的原因，就是貝粒子流沒有傳導(dǎo)完的那一部分能量。而正是這一部分未傳導(dǎo)完的能量構(gòu)成了鍵的結(jié)合力。

所謂“核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵”上的迷粒子與其他迷粒子是一樣的，只不過成為鍵態(tài)的迷粒子，是在貝粒子流作用下串聯(lián)為鍵態(tài)的。這種核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵，與夸克的性質(zhì)相同，也分為能量鍵、虛量鍵。我們可以把能量鍵定義為“可返回鍵”，稱之為“雙鍵”；而虛量鍵則定義為“輸入鍵”，稱之為“單鍵”。迷粒子鍵在原子團(tuán)中是起著“橋”作用的鍵，也就是合成為分子的主要合成形態(tài)。帶有迷粒子鍵的原子之間的合成，是以能量鍵——虛量夸克，虛量鍵——能量夸克的形態(tài)，進(jìn)行相互傳導(dǎo)交換能量，從而形成原子核內(nèi)膠子傳導(dǎo)交換能量，再由原子核間迷粒子鍵傳導(dǎo)交換能量。正是由這樣一個總的傳導(dǎo)交換能量形態(tài)，導(dǎo)致合成為原子團(tuán)、分子和物質(zhì)體。以上能量與基本粒子核間信息態(tài)能量異光色斥力，產(chǎn)生了相反的效應(yīng)性作用，從而使原子核力形成平衡態(tài)。我們把這種形態(tài)的平衡，稱為“鍵力平衡”。

通常膠子在合成迷粒子鍵時，按光色排序，把信息態(tài)能量轉(zhuǎn)換為迷粒子的同時，對不能按光色排序的最小單元光色進(jìn)行互變，使這種最小單元的信息態(tài)能量光色互變轉(zhuǎn)換為可連續(xù)互變的貝粒子，把多個貝粒子交合成貝粒子流，從而使原子本體帶有核磁能量，核電能量和核引力鏈，所以我們可以這樣認(rèn)為，核力就是貝粒子流力。

由上探析可以認(rèn)為，核磁、核電、核引力鏈都是由貝粒子流運動而產(chǎn)生的鏈態(tài)能量。只不過貝粒子流是一種變化性態(tài)的粒子流，影響其屬性不同的原因應(yīng)該是鏈距的大小，也就是說不同貝粒子流屬性隨往返鏈距的大小變化而變化。假定往返鏈距為a×10pm時，這時鏈的屬性就是引力鏈；當(dāng)往返鏈距為b×102pm時，鏈的屬性為核力；而往返鏈距為c×103nm～d×103nm時，鏈性為磁力線屬性；則往返鏈距為e×10nm～1.9e×10nm時，鏈性為電力線屬性。貝粒子流的這種變化特性，是因往返鏈距之間單奇子互變時的信息態(tài)能量光色隨向性的相互影響，使得貝粒子流產(chǎn)生隨往返鏈距的變化，而屬性發(fā)生變化的現(xiàn)象。甚至可以在兩種屬性的貝粒子流鏈距相互交合時，產(chǎn)生一種新的鏈性波，比如電磁波。此外，也會由于相同的原因產(chǎn)生不同屬性的作用力，比如磁引力（磁-鐵引力能）。

綜上所述，我們可以判斷，基本粒子的維度結(jié)構(gòu)及結(jié)合力（能量結(jié)構(gòu)），在正常情況下，決定了常態(tài)物質(zhì)材料的宏觀性能，然而一旦這樣的維度結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的結(jié)合力出現(xiàn)背離常態(tài)的變化后，就會使材料宏觀特性發(fā)生明顯變化。納米材料正是基于這樣的原因而發(fā)生變性。

三、能量結(jié)構(gòu)變化后的小分子特性的形成機理

由上，如果從物質(zhì)材料粒子的維度和能量狀況背離常態(tài)后，產(chǎn)生了奇異特性的角度出發(fā)，可對納米材料作出以下定義：納米材料是以能量結(jié)構(gòu)變化后的小分子為基礎(chǔ)，重新合成的新效應(yīng)特性材料。

常態(tài)物質(zhì)中的原子晶粒，因晶粒體積的原因，使得晶粒界面的面積小于總體積內(nèi)結(jié)晶陣列的面積，這時原子鍵對晶粒界面原子的移活性控制力強、晶粒間的結(jié)合力小于晶粒內(nèi)的結(jié)合力，我們可以把這種情況稱之為：晶粒臨界結(jié)合力效應(yīng)。在這里所謂的“移活性控制力”，是指納米小分子表面積與正常分子的表面積相比相對增大了，這時納米小分子之間結(jié)合力就增強了，相對結(jié)合點也增多了，所表現(xiàn)出來的是其活性態(tài)，也就是說容易與其他分子、原子進(jìn)行活性結(jié)合的狀態(tài)，從而產(chǎn)生能量對稱或不對稱的表面核力控制。

我們假定，在晶粒臨界結(jié)合力效應(yīng)之下，粒子不能形成自由態(tài)的聚集，而是通過原子鍵形成了外延夸克力達(dá)到一定幅度的結(jié)合力，這時晶粒間的對稱結(jié)合力強度低。而所謂的外延夸克力是指：在核力控制范圍，因核力減弱而減小時，由夸克能量進(jìn)行增補的現(xiàn)象。

當(dāng)核外電子的排序?qū)哟?，由于晶粒?nèi)結(jié)合力的強度狀況緣故，使核磁能量在原子間擠壓交合，這時電子的軌道程長（即電子繞核運動時的軌道長度）為最小狀態(tài)，并不能形成自由的程長狀態(tài)，這時使電子成為負(fù)核力的能量粒子，直接影響了原子的衰變時間，我們可以把這種情況稱之為：量子負(fù)核力效應(yīng)。

關(guān)于“核磁能量在原子間擠壓交合”可以這樣來理解：在原子間由核力相互作用，而形成分子結(jié)構(gòu)形態(tài)以后，是處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于核力大于磁力，核磁不能迫使分子分解成單原子的情況下，核磁之間同性相互擠壓，形成了磁力線縱、橫交織的現(xiàn)象，結(jié)果產(chǎn)生了在一定范圍的空間（原子間隙、核力控制區(qū)）中的網(wǎng)態(tài)交合磁力，同時生成擠壓磁疇。而這時磁疇的多少，取決于分子中原子量的多少。

關(guān)于“負(fù)核力能量粒子”，這是類似于暗物質(zhì)粒子的儲能、放能粒子。根據(jù)質(zhì)能互換原理（E=mc2），我們?nèi)绻阅骋晃锢砹烤V來統(tǒng)一衡量粒子所蘊含的能量及所具有的質(zhì)量，當(dāng)在粒子儲能量大于粒子質(zhì)量的換算能量時，核力因粒子能量過剩而收縮，并在極短的時間內(nèi)（假定10-2秒量級）釋放所儲能量。之后，又恢復(fù)原態(tài)繼續(xù)進(jìn)行儲能——放能的活動過程，進(jìn)入一種往復(fù)循環(huán)的狀態(tài)。例如石墨烯就有這樣的儲能——放能過程的功能。

如果常態(tài)物質(zhì)中的原子晶粒，在達(dá)到變性度量尺寸單位的1nm～100nm量級時，隨著原子晶粒體積的減小，晶粒的比界面增大，晶粒界面的原子數(shù)同總原子數(shù)成反比例。這就是所謂的“比界面”，又可稱為：納米粒子界面比，是指納米粒子在不同體積的情況下，最外層原子的裸露面積，與本粒子原子量總個數(shù)的面積總和之比。當(dāng)粒子體積大時，裸露的原子面積??；當(dāng)粒子體積小時，裸露的原子面積就大。假如，一個30～250個原子構(gòu)成的納米原子簇，界面原子數(shù)或許可以達(dá)到總原子數(shù)的80%～90%，這種原子簇沒有固定形態(tài)，原子排序為變化態(tài)，所以這是一種不確定的原子結(jié)構(gòu)形態(tài)，我們可以稱之為：軟化原子簇。

當(dāng)界面原子與晶粒內(nèi)的原子不同，原子初始位置數(shù)減少，非鍵軌道增加，這時晶粒內(nèi)的結(jié)合力下降，界面原子為移活形態(tài)，這種情況下就容易與其他原子簇形成聚集團(tuán)態(tài)物質(zhì)體，不容易離散移位，可以與多種物質(zhì)進(jìn)行移活反應(yīng)。這種界面現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為晶粒減小后，比界面增大，界面曲率（指納米粒子總體積的圓度）也隨比界面而增大，使晶粒面的張力向晶粒內(nèi)形成增壓態(tài)，并造成晶粒收縮。界面原子增多使晶粒的界面能量在全部晶粒能量中的比例增加，從而使晶粒界面的移活性增大，產(chǎn)生了界面效應(yīng)。

關(guān)于“原子初始位置數(shù)”是指納米級粒子之間結(jié)合過程中，結(jié)合粒子外層原子與被結(jié)合粒子外層原子第一次結(jié)合時，有多少個原子和有多少個原子結(jié)合點。這樣一個確定初始位置數(shù)的做法，是確定納米材料結(jié)晶形態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有自然形成的，也有在工程上以人工形成的。工程上可以按照需要來調(diào)整結(jié)晶形態(tài)，從而實現(xiàn)所需要的材料結(jié)構(gòu)的目的。而關(guān)于“非鍵軌道”，是在納米粒子粒徑減小后，外層原子量減少，原子裸露面的結(jié)合鍵也隨之減少，粒子外層的電子不再受鍵的影響作繞核運動，這時運動的軌道基本是正圓形的，這樣一種電子軌道就是非鍵軌道。

以上納米晶粒產(chǎn)生的界面效應(yīng)，也有的文獻(xiàn)是這樣描述的：“當(dāng)固態(tài)粒子很小時，表面原子鍵長比體積內(nèi)原子鍵長減小的趨勢更明顯，并表現(xiàn)為整個固態(tài)粒子點陣參數(shù)的適量減小。表面原子具有的額外能量稱為表面能，表面自由能或表面張力?！盵5]總而言之，當(dāng)納米晶粒產(chǎn)生界面效應(yīng)時，這樣一種小分子特性形成后，由于晶粒尺寸單位的減小，宏觀上就表現(xiàn)出這一類材料會對磁、電、光、力和熱等產(chǎn)生不同變性的晶粒效應(yīng)。

四、關(guān)于納米材料幾種典型的變性效應(yīng)的形成機理

以下我們討論幾種典型的納米材料變性效應(yīng)：

1、磁學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級時，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響。”[1]我們認(rèn)為當(dāng)材料隨晶粒尺寸單位的減小，原子晶粒中的多磁疇結(jié)構(gòu)形態(tài)就變成單磁疇結(jié)構(gòu)的形態(tài)。在材料中磁疇的多少，是由材料中粒子數(shù)決定的。材料中粒子數(shù)多、粒徑大的粒子，形成的擠壓磁疇也多，這時就出現(xiàn)了多磁疇；當(dāng)材料中是粒子數(shù)少、粒徑小的粒子，這時形成的擠壓磁疇也就少了。一般小粒徑的納米粒子，基本上都是單磁疇的粒子。

如果在出現(xiàn)單磁疇的情況下，使磁能量的形態(tài)由磁疇壁（指多磁疇或單磁疇的磁疇邊界）形態(tài)，變?yōu)榇女犘齽拥男螒B(tài)，則這種情況是擠壓單磁疇在粒子熱能影響下出現(xiàn)的，這種情況與磁——熱不對稱有關(guān)。

這時，納米材料磁的多種異性能KV（指飽和磁化強度、矯頑力、磁導(dǎo)率等特性）與熱能KT（電子運動熱能）基本相同，或者KV小于KT時，由于熱能量的擾動作用，會使納米晶粒的逆磁力（矯頑力）降為零，從而成超通量磁性狀態(tài)。也就是說對于單磁疇的小納米材料，在熱能擾動下，將產(chǎn)生超順磁現(xiàn)象，雖然并非零磁阻，但這種情況對充磁是有利的，也可以成為液化磁。

假如鐵原子晶粒的尺寸單位為兩位數(shù)（十位數(shù)）的納米值時，其逆磁力為某個數(shù)值；而在鐵原子晶粒尺寸單位達(dá)到某一個位數(shù)納米值時，逆磁力為零，成為超通量的磁性材料。又比如自然或人造永磁體，在粉碎到成為小納米顆粒（個位數(shù)的尺寸）時，與液體按所需的比例進(jìn)行混合成磁性液體，就是液化磁。再比如，按納米可流動性解釋，自然或人造永磁體，在粉碎到小納米顆粒時，自身因顆粒坍塌現(xiàn)象（堆積不穩(wěn)定性的現(xiàn)象）而產(chǎn)生了流動性，也稱為：磁的液化效應(yīng)，或液化磁。

2、電學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變。”[1]我們認(rèn)為，當(dāng)在晶粒尺寸單位減小，界面效應(yīng)增大的時候，由于量子隧道效應(yīng)的關(guān)系，使電能量的導(dǎo)電率下降，也就是說不能夠產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。這是因為晶粒減小時，電子與聲子的交合強度增加，從而使晶格體的低頻振動終止，電子間的交合率下降，產(chǎn)生的電子對少了，從而形成了多態(tài)自由電子形態(tài)所致。

關(guān)于量子隧道的效應(yīng)：當(dāng)材料成為小粒子（納米粒子）時，在合成后，其能級帶就變?yōu)槟芗夵c，點與點之間有能隙存在，這屬于出現(xiàn)低能區(qū)的情況。這個低能區(qū)就造成了宏觀的隧道現(xiàn)象。而具有穿越這個隧道能力的粒子，稱為量子隧道粒子。隧道粒子穿越隧道的過程或現(xiàn)象，即是“量子隧道效應(yīng)”。關(guān)于“聲子”，從嚴(yán)格的物理意義上講，“聲子”不是一種永久存在的粒子。這里提出的所謂的“聲子”是泛指那些傳播聲波的介質(zhì)粒子，我們把凡是能夠傳播聲波的介質(zhì)粒子統(tǒng)稱為“聲子”。在噪聲大的環(huán)境中，傳播聲波的粒子（聲子）為在納米材料中形成的應(yīng)力波傳導(dǎo)粒子，則當(dāng)與納米材料中運動著的電子耦合性增大時，會影響到電子的交合率，并使之下降。

3、力學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：納米材料“隨著尺寸減小，材料的力學(xué)性能得到提高。”[5]我們也認(rèn)為，在納米材料中，晶粒的高塑性，其結(jié)合塊體的韌性大，是納米材料的主要特性。納米塊體的塑性變性原理應(yīng)該是在低溫中蠕變擴散的。因為蠕變擴散變速率與擴散數(shù)量值系數(shù)成正比，與晶粒的三次方成反比。因此，納米塊體比常態(tài)塊體的擴散系數(shù)高三個量級，而晶粒度小三個量級，則納米塊體的蠕變速率要高于常態(tài)塊體十二個數(shù)量級，并且在低溫下可以對外源力的作用反應(yīng)加快，形成塑性蠕變速率提高，使納米塊體的韌性增大。

關(guān)于“擴散數(shù)量值系數(shù)”，是指納米材料隨溫度變化而形成的蠕變，即納米材料結(jié)構(gòu)晶?；蚓Ц駭U散性遷移的平均速率與蠕變區(qū)擴散性遷移的個數(shù)之比值，也可稱為：一個蠕變溫度均等擴散數(shù)量值系數(shù)。實際上就是指有多少納米粒子參與了蠕變性擴散。

4、熱學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出，納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學(xué)特性。[1]假如納米合金材料的比熱比同類合金在粗晶粒時高出10%～78%，比熱增大的原因是，納米晶粒界面效應(yīng)形成了特殊的比熱形態(tài)。在溫度相對高的時候，納米晶粒間的原子排序為無序態(tài)，原子密度低，原子間的耦合弱，使晶格振動和組合態(tài)熵變增加，定壓比熱Cp隨熵變增大。納米金屬材料的熱穩(wěn)定性是隨溫度變化而變化的。在一定的溫度情況下相對穩(wěn)定，晶粒受熱能量溫度超過穩(wěn)定溫度時，材料先產(chǎn)生放熱，而后形成吸熱現(xiàn)象。這是因為納米晶?？焖僭龃?，晶格體膨脹形成的吸熱效應(yīng)。我們可以把這種現(xiàn)象稱之為：晶格膨脹熱力變性效應(yīng)。

關(guān)于“組合態(tài)熵變”，是指納米材料晶粒界面熱力，隨晶粒體積大小的變化而變化，晶粒之間結(jié)合時的界面熱力大小，是導(dǎo)致材料蠕變速度快慢的主要成因，也是導(dǎo)致納米材料溫度敏感的主要成因。這種現(xiàn)象，是因為晶粒界面張力在熵變的影響下，產(chǎn)生了不穩(wěn)定形態(tài)，從而使晶粒之間自由結(jié)合能在界面張力的作用下減弱，形成了晶粒松散性蠕變。

5、光學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用?！盵1]假定常態(tài)物質(zhì)對光的反射率大于82%，但在常態(tài)物質(zhì)尺寸單位到達(dá)變性納米尺寸時，光的反射率或許只為10%～0.3%，這可稱之為：無反射暗物質(zhì)體效應(yīng)。這是因為達(dá)到變性尺寸的納米晶粒中，原子的曲面反射方向面積增大，光的直反率下降，所以產(chǎn)生了暗物質(zhì)效應(yīng)。所謂的暗物質(zhì)效應(yīng)，就是等于暗物質(zhì)體的光子吸收效應(yīng)。不過要形成暗物質(zhì)效應(yīng)的納米材料必須是整體塊狀的納米材料才能做到，而目前工程上加工這樣的材料顯然還有很大困難。

這是因為，（1）當(dāng)物質(zhì)的納米晶粒以通常采用的方式制成型材時，往往納米晶粒隨著與同級晶粒結(jié)合時而增長，直到恢復(fù)至非納米材料的正常晶粒狀態(tài)，則這時所有納米特性又消失了；（2）納米材料晶粒重新合成制成型材時，必須控制好溫度，否則很容易出現(xiàn)廢品；（3）如果要合成為型材的納米粒徑不均勻，很容易產(chǎn)生材料的龜裂現(xiàn)象，導(dǎo)致這種情況的原因是，納米晶粒如果粒徑大小不同，粒子所帶能級也不同，在合成為型材時會出現(xiàn)晶粒空穴現(xiàn)象，當(dāng)材料冷卻時，晶粒收縮，則空穴邊界擴展，從而產(chǎn)生龜裂。那么當(dāng)納米材料不能以整個型材塊體的狀況出現(xiàn)，其暗物質(zhì)效應(yīng)實際上是難以體現(xiàn)出來的。

五、關(guān)于納米材料的幾種典型結(jié)構(gòu)的形成機理

納米晶粒的結(jié)構(gòu)，取決于納米晶粒中的原子——夸克的能量態(tài)和虛量態(tài)的自由交合，不同形式的交合形成了多種形態(tài)的結(jié)構(gòu)體。可以分為粒態(tài)、板態(tài)、柱態(tài)、鏈態(tài)、網(wǎng)格態(tài)、支態(tài)（海棉態(tài)）。形成不同形態(tài)的主要原因，表現(xiàn)為晶粒的尺寸、納米合金材料中的其他普通物質(zhì)與初始納米材料合成結(jié)晶后的純度比例（即納米合金材料中含雜量比例）、自由交合寬度（指納米晶粒之間自由結(jié)合的量，或自由結(jié)合的晶粒數(shù)。結(jié)合寬度的大小，取決于納米晶粒界面面積的大?。┘靶纬傻募{米晶粒的方法等要素。

通常納米物質(zhì)的聚集態(tài)為：納米晶粒和納米非晶粒兩種聚集形態(tài)。因為界面原子占的比例大，這兩種聚集形態(tài)都由具有界面的和界面內(nèi)的聚集形態(tài)所構(gòu)成。

納米晶粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)與納米晶粒的大小有關(guān)系，常態(tài)納米晶粒為單晶形態(tài)，隨著本體尺寸單位的增大，形成缺陷性的比例也會增加。當(dāng)納米晶粒尺寸單位達(dá)到兩位數(shù)（十位數(shù)）或個位數(shù)時，會使納米晶粒聚集后，處于相對穩(wěn)定形態(tài)。假如形成原子簇的納米晶粒尺寸大于某一個位數(shù)值時，原子間的能量夸克、虛量夸克會因為能量平衡基本核力，從而向能進(jìn)行外延傳導(dǎo)能量的夸克，形成一種“尋找態(tài)”的交合。關(guān)于“尋找態(tài)”交合，是指納米晶粒界面滑動交合時，晶粒界面不斷適應(yīng)所交合晶粒界面自由結(jié)合能量的現(xiàn)象，也就是通過晶?；瑒樱x擇一個自由結(jié)合能與本晶粒界面自由結(jié)合能基本相符的界面進(jìn)行交合的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是納米材料形成穩(wěn)定塊體的主要原因。

在“尋找態(tài)”交合過程中，膠子對由鍵傳導(dǎo)的能量進(jìn)行光色排序，可利用光色能量通過膠子的排序，向膠子控制中的虛量夸克輸入；不能利用的光色能量，就會被膠子通過外延鍵輸出。假如在輸出能量的原子周邊，有著可利用、不能利用的光色能量的原子夸克時，就形成了完整性輸出、輸入系，這時原子間為穩(wěn)定態(tài)。在輸出能量的原子周邊沒有可利用、不能利用的光色能量的原子夸克時，則原子間為斥動態(tài)。輸出能量的原子中的膠子就會控制能量輸出，以尋找態(tài)向周邊外其他原子移動鍵的長度，在尋找到可輸入能量的原子夸克時，把鍵上的迷粒子轉(zhuǎn)換為貝粒子流，向可輸入能量的原子夸克延伸交合，使鍵在交合中變動，帶動本體原子移位，使初始的原子簇中的原子數(shù)產(chǎn)生了移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)。所謂的“移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)”，是指納米晶粒因粒徑減小，而表面積增大后的表面活性隨之增強，形成納米晶粒之間，或納米晶粒與外來原子之間的結(jié)合，使得納米晶粒由高活性的形態(tài)，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)的現(xiàn)象。這就是原子數(shù)產(chǎn)生移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)現(xiàn)象。變數(shù)是指增加后的數(shù)，也就是與其他納米晶粒、外來原子，無論在表面的任何位置進(jìn)行結(jié)合，或者結(jié)合后再移動變位結(jié)合，都能使納米晶粒增量趨于穩(wěn)定。這種移位變數(shù)穩(wěn)定現(xiàn)象也就是所謂的“幻數(shù)效應(yīng)”。

常態(tài)的原子簇是由個位數(shù)到三位數(shù)（百位數(shù)）個原子聚集形成的團(tuán)粒態(tài)，原子簇由內(nèi)到外要形成密集態(tài)，同時又要成為低能量結(jié)合態(tài)，才是穩(wěn)定形態(tài)的原子簇。原子簇的結(jié)構(gòu)以20面體為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這種以多面體相對以對稱性結(jié)構(gòu)形態(tài)形成的原子簇都稱為類晶體（準(zhǔn)晶體），而納米晶粒是以無序錯位排序的原子簇結(jié)構(gòu)體，則是非晶體。

六、小結(jié)

綜上所述，如果從物質(zhì)材料尺寸變化引起特性變化的角度出發(fā)，可以為物質(zhì)納米態(tài)作如下廣義定義：基本尺寸單位10-9m的物質(zhì)晶粒，具有界面效應(yīng)、晶粒效應(yīng)的物理、化學(xué)特性的物質(zhì)形態(tài)，就是廣義的物質(zhì)納米態(tài)。

如果單純從粒子能量活動的變化角度出發(fā)，也可以為物質(zhì)納米態(tài)作如下的狹義定義：原子的夸克以能量態(tài)尋找虛量態(tài)的自由度達(dá)到所需的程度時，即是狹義的物質(zhì)納米態(tài)。

一般情況下，納米材料是作為單一特性材料使用的，當(dāng)與非納米材料進(jìn)行合成時，則納米材料就作為填充材料或催化劑使用。比如，在金屬材料中填充某些納米材料，會使金屬材料晶穩(wěn)性增高，材料強度、韌性、抗腐性、導(dǎo)磁性都有所提高。在非金屬材料中填充某些納米材料，則對非金屬材料機械性能、化學(xué)性能有所改善。

此外，我們必須知道，某些納米材料粒子是有一定毒性的，在合成期間對人體危害很大，因此目前大規(guī)模生產(chǎn)具有較大的困難。關(guān)于納米粉狀粒子有毒性的原因，是粉狀粒子由于體積小，容易被生物細(xì)胞吸收。當(dāng)生物細(xì)胞吸收了粉狀納米粒子后，不能排出細(xì)胞體外，而在細(xì)胞內(nèi)形成了阻塞代謝功能，使細(xì)胞快速死亡。這種現(xiàn)象的原因，主要是納米粉狀粒子的表面活性，在與細(xì)胞內(nèi)其他原子、分子接觸時，產(chǎn)生了親和性結(jié)合，而形成了堆積阻塞代謝功能所致！不過納米塊體或納米的線體材料，由于體積很大，不會被生物細(xì)胞吸收。所以，也就沒有傷害生物的毒性，是安全的。