纳米材料研究综述
纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固态材料, 其晶粒或颗粒尺寸在 1～ 100 nm 数量级, 主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成 , 其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面, 晶界原子达 15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子结构互不相关, 使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。此外 ,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性 ,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级 。高浓度界面及原子能级的特殊结构, 使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应 、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等, 导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性 、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学 、化工陶瓷 、生物、医药等诸多方面具有重要价值, 得到了广泛应用
1 纳米材料研究的现状与特点
1.1 纳米材料研究的现状
上世纪 70 年代纳米颗粒材料问世, 80 年代中期在实验室合成了纳米块体材料 ,80 年代中期以后, 成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。可大致分为 3 个阶段 ;第一阶段(1990 年以前), 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体, 合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法, 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994
年前), 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能 ,设计纳米复合材料, 通常采用纳米微粒与纳米微粒复合, 纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从 1994年到现在), 纳米组装体系 、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注 ,正在成为纳米材料研究的新的热点。
1.2 纳米材料研究的特点
(1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大 第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶 、纳米相 、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。
第四章 纳米材料的物理化学性能
纳米微粒的物理性能
第一节 热学性能 ※1.1. 纳米颗粒的熔点下降 由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积
远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。
金的熔点：1064oC；2nm的金粒子的熔点为327oC。 银的熔点：960.5oC；银纳米粒子在低于100oC开始熔化。
铅的熔点：327.4oC；20nm球形铅粒子的熔点降低至39oC。
铜的熔点：1053oC；平均粒径为40nm的铜粒子，750oC。 ※1.2. 开始烧结温度下降 所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。
纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动
的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化
的目的，即烧结温度降低。 ※1.3. NPs 晶化温度降低 非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。
※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。
第二节 电学性能 2.1 纳米金属与合金的电阻特性
1. 与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；
2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加；
3. 比电阻随温度的升高而上升
4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。
随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。当粒径为11nm时，电阻随温度的升高
而下降。 5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度
的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）. 电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。 ※纳米材料的电阻来源可以分为两部分： 颗粒组元（晶内） ：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射
一、
1. 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;纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级(LUMO)，能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。
2. 小尺寸效应：当超细颗粒的尺寸与光波波长、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;非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
{纳米相材料存在大量的晶界，使得电子散射非常强。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强。界面这种高能垒导致纳米相材料的电阻升高。
一般对电子的散射可以分为颗粒（晶内）散射贡献和界面（晶界）散射贡献两个部分。当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。而当颗粒尺寸大于电子平均自由程时，晶内散射贡献逐渐占优势。尺寸越大，电阻和电阻温度系数越接近常规粗晶材料，这是因为后者主要是以晶内散射为主。当颗粒尺寸小于电子平均自由程时，界面散偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。例如，电阻粒子直径d温度系数变负值就可以用占主导地位的界面电子电子平均自由散射加以解释。射起主导作用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地}
3. 表界面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的化学活性，催化活性，吸附活性。表面效应是指纳米粒子表(界)面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。
4. 宏观量子隧道效应：微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等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。
纳米材料的特性及应用
摘要
系统阐述了纳米材料的特性,并重点介绍了纳米材料在陶瓷领域,
医学上,皮革制品上,环境保护等方面的应用。并对纳米材料未来的应用前景进行了展望。
关键词：纳米材料 特性 应用
前言
纳米，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于万分之一头发丝粗细。当物质到纳米尺度以后，大约是在1-100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料即为纳米材料[1]。纳米材料处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，即接近于分子或原子的临界状态。
在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。由于纳米材料从根本上改变了材料的结构，使得它成为当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象[2]。
近年来，纳米材料取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世[3]。充分显示了纳米材料在高技术领域应用的巨大应用潜力。
纳米材料诞生多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代后，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。世界许多国家都将纳米科学技术的研究和发展作为一项重要的国家项目，加大投资力度。这也说明了纳米材料的研究仍然是将来最有发展前途的科研领域。
