第二章 纳米材料的基本效应
纳米材料特性
《纳米材料导论》作业1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。
它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。
纳米材料通常按照维度进行分类。
原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。
纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。
按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。
2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。
答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。
出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。
例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。
二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。
例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。
三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。
引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。
四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。
简述纳米材料的基本物理效应
简述纳米材料的基本物理效应1. 引言嘿，朋友们，今天咱们聊聊纳米材料，这可是一块神奇的“魔法砖”！说到纳米材料，可能有人会挠挠头，觉得它离我们生活很远，但其实，它们就像那些隐形的超人，默默地改变着我们的世界。
从手机到太阳能电池，从药物到化妆品，纳米材料无处不在。
要说它们有啥特别的，那就得从它们的基本物理效应聊起了。
2. 纳米效应的秘密2.1 量子效应首先，咱们得提到量子效应，这可是纳米世界的一大特色。
简单来说，纳米材料的尺寸小到离谱，通常只有一纳米到几百纳米之间。
这种小小的尺寸让材料的行为和大块头的物体大相径庭。
就好比你看见一个大象和一只蚂蚁走路的方式完全不同，纳米材料也有自己独特的“走路”方式。
比如，电子在这些小小的材料中运动时，不再遵循传统的物理规律，而是玩起了“躲猫猫”，形成了量子限制效应。
这使得纳米材料在光学、电子学上表现得特别出色。
2.2 表面效应再说说表面效应。
这就像是你买了一块超大披萨，切成小块后，每一小块的边缘都是你味蕾的狂欢。
纳米材料的表面积相对体积大得惊人，这意味着它们和周围环境的互动也变得更加活跃。
比如，纳米颗粒在催化反应中可以大显身手，因为它们的表面能和反应物“聊得特别来”，加速反应速度。
这种表面效应使得纳米材料在化学反应、药物输送等方面表现得尤为突出。
3. 热效应与光效应3.1 热效应说到热效应，这就有趣了。
纳米材料在吸热和散热方面的能力也是一绝，仿佛有自己的温度调控器。
有些纳米材料在加热时会表现出超导性，哎，听起来有点复杂，但简单来说，就是它们能让电流流动得像风一样顺畅，几乎没有阻力。
这让它们在电子产品和能源存储中成为了新宠儿，简直是科技界的小明星。
3.2 光效应接下来，咱们聊聊光效应。
纳米材料在光的操控上也是一把好手。
它们可以调节光的传播、吸收和反射，就像调音师调节乐器音色一样，能让光线变得绚丽多彩。
比如，某些纳米材料可以在特定波长的光下发光，甚至可以用在显示屏和激光器上，给我们的视觉享受增添了一抹绚丽的色彩。
第二章__纳米材料的基本效应
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的
电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及半导
体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未
被占据分子轨道，能隙变宽的现象，均称为量子尺
寸效应。
第二章 纳米材料的基本效应 2.4 量子尺寸效应
能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是 连续的，但只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
表面效应
这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子 输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电
子能谱的变化。下面举例说明纳米粒子表面活性高的
原因。
第二章 纳米材料的基本效应 2.2 表面效应（界面效应）
图2-4 将采取单一立方晶格结构的原子尽可能以接近圆（或球）形进行配置的超微粒模式图
金纳米颗粒的熔点与粒径之间的关系曲线。
⑸特殊的力学性质
由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良
好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有
大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变
形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的
延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目
前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。
表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径
的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图。
从图中可以看出，粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比 例。当粒径降到1nm时，表面原子 数比例达到约90%以上，原子几 乎全部集中到纳米粒子的表面。
Relationship between the ratio of the surface atoms to whole atoms and particle size
纳米材料的基本效应
纳米材料的四个基本效应转载▼纳米材料由纳米离子组成，纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，是一种典型人界观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。
1、表面效应粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。
表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
2、量子尺寸效应指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。
这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。
3、体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。
如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。
4、宏观量子隧道效应宏观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT （Macroscopic Quantum Tunneling）。
这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。
以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些反常现象，如金属为导体，但纳米金属微粒在低。
纳米 材料第二章 纳米材料与技术
4.3 纳米材料的表面效应
➢表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比
随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能 及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化 学性质的变化。
1.比表面积的增加
➢ 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、 体积比表面积
➢ 当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相 应的也急剧加大。
2、纳米材料的发展趋势
➢ 探索和发现纳米材料的新现象、新性质
➢ 根据需要设计纳米材料，研究新的合成和制备方法
以及可行的工业化生产技术
➢ 深入研究有关纳米材料的基本理论
第四节 纳米材料的基本效应
4.1 纳米材料的量子尺寸效应 一、原子分立尺寸能效级应
如：各种元素都具有自己特定的光谱线，如氢原子和钠 原子分立的光谱线。 ——作用: 原子光谱，可鉴别外来天体中的元素。 ——对于分子：分子轨道理论 共价键理论
拆开它们是需要能量的，高强度的电场和磁场都能使
之拆开而由超导态进入正常态。
二、磁通量子——磁力线的分布，用磁场作用于铁屑
可直接观察，即磁通量也是量子化的。
三、宏观量子现象
为了区别单个电子、质子、中子等微观粒子的微 观量子现象，把宏观领域出现的量子效应称为宏观量 子效应。
四、宏观量子隧道效应
➢微观粒子具有隧穿势垒的能力称为隧道效应。
3、表面能
铜微粒与表面能
粒径 1mol铜原子的 一个粒子的
/nm
微粒数
质量/g
表面积 /cm2
10
7.1×1018
9.07×10-18 4.2×107
表面能/J 5.8×106
100
7.1×1015
纳米材料与技术-纳米微粒的基本理论
纳⽶材料与技术-纳⽶微粒的基本理论第⼆章纳⽶微粒的基本理论⼀、⼩尺⼨效应⼆、表⾯效应三、量⼦尺⼨效应四、宏观量⼦隧道效应五、库仑堵塞效应六、介电限域效应⼀、⼩尺⼨效应随着颗粒尺⼨的量变，在⼀定条件下会引起颗粒性质的质变。
由于颗粒尺⼨变⼩所引起的宏观物理性质的变化称为⼩尺⼨效应（体积效应）。
对超微颗粒⽽⾔，尺⼨变⼩，就会产⽣如下⼀系列新奇的性质：当微粒的尺⼨与光波波长、电⼦德布罗意波长以及超导态的相⼲长度或透射深度等物理特征尺⼨相当或更⼩时，晶体周期性的边界条件将被破坏，微粒表⾯层附近的原⼦密度减⼩，导致材料的磁性、光吸收、化学活性、催化特性以及熔点等与普通粒⼦相⽐有很⼤变化，这就是纳⽶粒⼦的⼩尺⼨效应。
1. 尺⼨与光波波长（⼏百nm ）相当颗粒光吸收极⼤增强、光反射显著下降(低于1%)；⼏个nm 厚即可消光，⾼效光热、光电转换 ? 红外敏感、红外隐⾝固体在宽谱范围内对光均匀吸收光谱蓝移(晶体场)、新吸收带等。
2. 与电⼦德布罗意波长相当铁电体 ? 顺电体；多畴变单畴，显出极强的顺磁性。
20nm 的Fe 粒⼦(单磁畴临界尺⼨)，矫顽⼒为铁块的1000倍，可⽤于⾼存储密度的磁记录粉；但⼩到6nm 的Fe 粒，其矫顽⼒降为０，表现出超顺磁性，可⽤于磁性液体（润滑、密封）等离⼦体共振频移（随颗粒尺⼨⽽变化）：改变颗粒尺⼨，控制吸收边的位移，制造具有⼀定频宽的微波吸收纳⽶材料（电磁波屏蔽、隐型飞机等）纳⽶磁性⾦属磁化率提⾼20倍（记录可靠）；饱和磁矩仅为1/2(更易擦除)。
3. 晶体周期性丧失，晶界增多熔点降低（2nm 的⾦颗粒熔点为600K ，随粒径增加，熔点迅速上升，块状⾦为1337K ；纳⽶银粉熔点可降低到373K ）? 粉末冶⾦新⼯艺界⾯原⼦排列混乱→易变形、迁移表现出甚佳的韧性及延展性纳⽶磷酸钙构成⽛釉，⾼强度、⾼硬度纳⽶Fe 晶体断裂强度提⾼12倍；纳⽶Cu 晶体⾃扩散是传统的1016-19倍；纳⽶Cu 的⽐热是传统Cu 的2倍；纳⽶Pd 的热膨胀系数提⾼⼀倍；纳⽶Ag ⽤于稀释致冷的热交换效率提⾼30%，等等。
纳米材料
用途：
高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流 体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学 器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、 微电子封装材料、光电子材料、电池电极 材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高 效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、 人体修复材料和抗癌制剂等。
2、纳米固体材料
纳米固体材料通常指 由尺寸小于15纳米的超微 颗粒在高压力下压制成型， 或再经一定热处理工序后 所生成的致密型固体材料。
（二）、纳米材料的奇异特性
具有很高的活性 特殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质 特殊的电学性质
1、具有很高的活性
随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大， 表面原子数增多及表面原子配位不饱和 性导致大量的悬键和不饱和键等，这就 使纳米微粒具有高的表面活性，并且粒 径越小，表面原子数所占比率越大，比 表面积越大，表面光滑程度变差，形成 凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应 的接触面，使其具有优良的催化性能。
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定 条件下会引起颗粒性质的质变。由 于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理 性质的变化称为小尺寸效应。对超 微颗粒而言，尺寸变小，其比表面 积亦显著增加，从而产生一系列新 奇的性质。
小尺寸效应的主要影响：
1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 2、宽频带强吸收性质 3、激子增强吸收现象 4、磁有序态向磁无序态的转变 5、超导相向正常相的转变 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力
4、特殊的磁学性质
主要表现为：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、 高磁化率 。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料 强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当 颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加 1000倍，若进一步减小尺寸，大约小于6nm时， 其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性
纳米材料的基本效应及应用
纳米材料的特异效应及应用摘要：介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应，这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。
综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用，叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用，并说明了它还将有更广阔的应用前景。
关键词：纳米材料；基本效应；应用Nanostructured material’s special effects andits applicationsAbstract：The particular small size effect，surface effect，quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects，nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ，optics ，electronics ，and sensitivity，ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ，sensitivity ，magnetics，food ,cosmetics and biomedicine，and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated.Key words：nanometer materials ；basic effect ；application1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料，同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议，使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着纳米科技的正式诞生；1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Bs/Ms饱和磁化强度或最大磁感应强度或 饱和磁通密度——饱和极化强度 Hc:矫顽磁场强度，矫顽力 Br剩余磁化强度或剩余磁通密度
磁滞回线
2.3. 表面效应 • 固体材料的表面原子与内部原子所处的环境 是不同的。当材料粒径远大于原子直径时， 表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原 子直径时，表面原子的数目及其作用就不能 忽略，而且这时晶粒的表面积、表面能和表 面结合能等都发生了很大的变化，人们把由 此而引起的种种特异效应通称为表面效应。
• 量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到 某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由 准连续变为离散能级的；即可看作由连续能 级变成不连续能级的现象称为纳米材料的量 子尺寸效应。
E(r)=Eg(r ∞)+h2π2/2μr2-1.786e2/εr-0.248ERy ε为介电常数, ERy为有效里德堡常数。 E为能隙，单位为eV。onset=1240/Eg
μ =[1/me-+1/mh+],
L.E. Brus, and Y. Wang.
纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电 子能级分布。 在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能 带。金属晶体中电子填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中 的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现 为良好的导电及导热性。 在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一 维度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级 由准连续分布能级转变为分立的束缚态能级。 能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的 物理性质。当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光 子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、 磁、光以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列 的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。
久保效应
(R. Kubo, J. Phys. Soc. Jpn, 1962, 17, 975)
• 复合电中性条件的颗粒，而且是在离散条件 公式[=(4/3)0/N, 0约为几个eV，N=104， =10-4eV，约为1K]（>KT）成立的低温下， 颗粒集合体的热性能才应该与块体的热性能 不同。对于粒径为10Å 的颗粒，大约为1K。 • 体材料的连续能级与超微金属颗粒的离散能 级（量子化）。
小尺寸的颗粒如何表征?
B=1.95
TiO2, anatase Sa=495.0 m2/g
=3.84 g/cm3
B=1.27
Sa=266.2 m2/g
2.2. 小尺寸效应（体积效应）
• 指纳米粒子尺寸减小，体积缩小，粒子内的 原子数减少而造成的效应。对超微颗粒而言， 尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从 而产生一系列新奇的性质，会导致粒子的声、 光、电磁性、光吸收、热阻、化学活性、催 化性以及熔点等与普通晶粒相比都有了很大 的变化，呈现出新的特征，这就是纳米材料 的小尺寸效应。
L. H. Qu, X. G. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 2049-2055.
UV-vis: 紫外可见吸收光谱； PL：荧光光谱。
反应时间越短，晶粒越小，吸收带边界（能隙）蓝移。
Core-shell CdTe/CdSe 量子点
B. A. Kairdolf, et al. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 12866–12867.
例如：宏观状态下的金属Ａｇ是导电率最高的导体， 但粒径ｄ＜２０ｎｍ的Ａｇ微粒在１Ｋ的低温下却变 成了绝缘体；这是由于其能级间距δ变大，低温下的热 扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增 大，从而使金属良导体变为绝缘体。 Au晶粒尺寸减小后变为半导体甚至绝缘体。
对半导体材料而言，在尺寸小于１００ｎｍ的纳米尺度范围 内，半导体纳米微粒随着其粒径的减小也会呈现量子化效应， 显现出与常规块体不同的光学和电学性质。常规大块半导体的 能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在 一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的 能级，使半导体中的能隙变宽、吸收光谱阈值向短波方向移 动（蓝移），此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。与金属 导体相比，半导体纳米颗粒组成的固体禁带宽度较大，受量子 尺寸效应的影响非常明显。
R. O. Ritchie et al., Science, 2008, 322, 1516
• 随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低， 烧结温度也显著下降，当颗粒小于10nm量级 时尤为显著，从而为粉末冶金工业提供了新 工艺 。
常规金 1064℃
10ห้องสมุดไป่ตู้m金 1037 ℃
2nm金 327℃
常规银 670 ℃
纳米材料测试主要仪器简介
• 透射电子显微镜(TEM) Transmission Electron Microscope • 扫描电子显微镜(SEM) Scanning Electron Microscope
• 扫描隧道显微镜(STM) Scanning Tunneling Microscope
• 原子力显微镜(AFM)
M. Harada, H. Einaga, J. Colloid Interface Sci., 2007, 308, 582.
Y. L. Luo, Mater. Lett., 2007, 61, 1873
当超微颗粒的尺寸与光波波长（几百纳米）相当时，颗粒对 光的吸收将极大增强、光反射显著下降（通常可低于１％）， 几个纳(微？)米厚的颗粒集合体就能完全消光，产生高效的光 热、光电转换。利用这个特性可以制备高品质的光热、光电转 换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外，由纳米 颗粒构成的固体在很宽的频谱范围内可对光均匀吸收；光谱吸 收限会产生移动（一般为向短波方向的蓝移），并可能产生新 的吸收带，等等。利用这些特性又有可能使纳米材料在隐身材 料、红外敏感探测器件等领域找到新的应用。
Atomic Force Microscope
• X射线衍射仪(XRD) X-ray diffraction • X射线光电子能谱仪(XPS) X-ray Photoelectron Spectroscopy • 俄歇电子能谱仪(AES) Auger Electron Spectroscopy
2.1. 量子尺寸效应
特殊的力学性质：当纳米颗粒构成固体时，由于界面急剧增多， 界面上的原子排列相对混乱、易于迁移，界面在外力的作用下易 变形，使材料表现出甚佳的韧性及延展性。如陶瓷材料在通常情 况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有 良好的韧性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断 裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为由纳米 磷酸钙构成的牙釉具有高强度和高硬度。 结构呈纳米晶粒的金属要比传统粗晶粒金属硬３～５倍，纳米 铁晶体的断裂强度可提高１２倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材 料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，应用前景十分宽广。
对超微颗粒而言，尺寸变小，就会产生如下一系列新奇的性 质：当微粒的尺寸与光波波长、电子的德布罗意波波长以及超 导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，由 其构成的结晶态固体中晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶 态的微粒表面层附近的原子密度减小，比表面积显著增加，导 致材料的力、热、声、光、电、磁及化学催化等特性与普通颗 粒相比出现很大变化，这就是纳米颗粒的小尺寸效应。
因为表面原子所处的环境与 内部原子不同，它周围缺少 相邻的原子，有许多悬挂键， 具有不饱和性，易与其他原 子相结合而稳定下来，所以 纳米颗粒粒径减小的结果， 导致其表面积、表面原子数、 表面能及表面结合能都迅速 增大，使纳米颗粒呈现出很 高的化学活性。
• 物质的内部原子因为周围原子的吸引或排斥， 总是保持在平衡状态。但是，表面原子却处 于只有内部原子向内吸引的状态。这意味着 表面原子与内部原子相比处于较高的能量状 态。这一多余能量分配给单位面积的量就叫 作表面能（J/m2, erg/cm2）。
对任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺 寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。除导体变为半导体、绝缘体外， 纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关， 如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有 顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。纳米金属颗粒的电子 数一般不易改变，因为当其半径接近１０ｎｍ时，增加或减少一 个电子所需作的功（约０.1eV）比室温下的热扰动能值（ｋＢＴ） 要大。当设法改变纳米微粒所含的电子数目时就可以改变其物性， 如光谱线的频移、催化活性的大小与其所含原子及电子的数目有 奇妙的联系，所含电子数目为某些幻数的颗粒能量最小、结构最 稳定。
牙齿的结构与牙釉质的SEM 照片
A
B
SEM截面形貌：(A) 改性SiO2纳米复合树脂; (B)丙酮萃取树脂后颗粒形貌
无机纳米粒子(SiO2)充填量为70%的复合树脂，具有较低的聚合 收缩率和较高的挠曲强度
纳米无机相与有机高分子间强作用使杂化 材料的力学性能全面提高，断裂韧性比无 机氧化铝陶瓷提高5倍
第二章 纳米材料的基本效应
纳米材料的基本效应
2.1. 量子尺寸效应 2.2.小尺寸效应 2.3.表面效应 2.4.库仑堵塞效应 2.5.宏观量子隧道效应
原生动物
Hemoglobin
红血球蛋白
T. Masciangiolo and Wei-Xian Zhang, “Environmental Technologies at the Nanoscale”, EST, 2003, 102A-108A
纳米银5-10nm 小于100℃
在钨颗粒中附加０．１％ ～０．５％重量比的超微镍 颗粒后，可将烧结温度从３０００℃降低到１２００℃ ～１３ ００℃，以致可在较低的温度下烧制成大 功率半导体器件的基片。
• 颗粒为6nm的纳米铁晶体的断裂强度较多晶铁提高12倍； • 纳米铜晶体自扩散是传统晶体的106～1019倍，是晶界扩散的 1013倍； • 纳米金属铜的比热是普通的纯铜的2倍；纳米Pd热膨胀提高1 倍； • 纳米银晶体作为稀释制冷机的热交换器效率较传统的材料提 高30％左右。