什么是納米材料？納米材料有什么特性？

什么是納米材料？

納米材料如今已逐漸滲透到我們的生活中，對(duì)于納米材料，普通大眾都尚沒(méi)有較深入的認(rèn)識(shí)和了解，然而納米材料的應(yīng)用已經(jīng)不足為奇，比如納米涂料、納米洗護(hù)用品、納米防水劑等等。

那么什么是納米材料呢？納米級(jí)結(jié)構(gòu)的材料簡(jiǎn)稱為納米材料，由于納米材料是近幾年開(kāi)始被關(guān)注和應(yīng)用的材料，所以也理解為納米結(jié)構(gòu)的新材料，廣義上是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍超精細(xì)顆粒材料的總稱。

根據(jù)2011年10月18日歐盟委員會(huì)通過(guò)的定義，納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團(tuán)塊狀天然或人工材料，這一基本顆粒的一個(gè)或多個(gè)三維尺寸在1納米至100納米之間，并且這一基本顆粒的總數(shù)量在整個(gè)材料的所有顆?？倲?shù)中占50％以上。

納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。

納米材料的結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。

納米陣列體系

已有的研究結(jié)果對(duì)納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微粒或半導(dǎo)體納米微粒在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上。

介孔組裝體系

納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產(chǎn)生的一些新的效應(yīng)，也使其成為了研究熱點(diǎn)，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無(wú)機(jī)介孔復(fù)合體和高分子介孔復(fù)合體兩大類，按支撐體的狀態(tài)又可將它劃分為有序介孔復(fù)合體和無(wú)序介孔復(fù)合體。

薄膜嵌鑲體系

在薄膜嵌鑲體系中，對(duì)納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學(xué)特性和磁學(xué)特性而展開(kāi)的。美國(guó)科學(xué)家利用自組裝技術(shù)將幾百只單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于0.0001Ω/m；將納米三碘化鉛組裝到尼龍-11上，在X射線照射下具有光電導(dǎo)性能，利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。

納米材料的特性與應(yīng)用

表面與界面效應(yīng)

指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。表現(xiàn)為直徑減少，表面原子數(shù)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(huì)迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識(shí)地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎?、貯氣材料和低熔點(diǎn)材料。  

小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下性質(zhì)： 

1、特殊的光學(xué)性質(zhì)

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)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(tài)都呈現(xiàn)為黑色

由此可見(jiàn)，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以制造高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，以很高的效率將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。另外還有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。

2、特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。  

3、特殊的磁學(xué)性質(zhì)  

在研究納米材料過(guò)程中科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。

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(dāng)顆粒尺寸減小到 2×10-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍。若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 6×10-3微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)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(chǔ)存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、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制成用途廣泛的磁性液體。

4、特殊的力學(xué)性質(zhì)

美國(guó)學(xué)者報(bào)道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(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈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。  
超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

碳納米管是一種新型的超級(jí)材料,它的強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的300倍

量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。

能級(jí)結(jié)構(gòu)

量子尺寸效應(yīng): 當(dāng)粒子的尺寸下降到某個(gè)值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道能級(jí)之間的能隙變寬現(xiàn)象。

納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)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(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。 

宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過(guò)宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。

上述的小尺寸效應(yīng)﹑表面效應(yīng)﹑量子尺寸效應(yīng)﹑宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域應(yīng)都是納米微粒和納米固體的基本特征，這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點(diǎn)﹑蒸氣壓﹑光學(xué)性質(zhì)﹑化學(xué)反應(yīng)性﹑磁性﹑超導(dǎo)及塑性形變等許多物理和化學(xué)方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現(xiàn)許多奇異的物理﹑化學(xué)性質(zhì)。