纳米微粒物理特性
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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:1064o C;2nm的金粒子的熔点为327o C。
银的熔点:960.5o C;银纳米粒子在低于100o C开始熔化。
铅的熔点:327.4o C;20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。
铜的熔点:1053o C;平均粒径为40nm的铜粒子,750o C。
※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界面组元(晶界):晶粒尺寸与电子平均自由程相当时,主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在,几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。
第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态:物质的第?态!区别于固、液、气态,也区别于“等离子体态”(物质第四态)、地球内部的超高温、超高压态(物质第五态),与“超导态”、“超流态”也不同。
纳米态的物质一般是球形的。
物质在球形的时候,在等体积的条件下,它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高,有着很好的强关联性。
超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2nm)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体、十面体、二十面体等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。
在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。
尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。
纳米微粒一般为球形或类球形,可能还具有其他各种形状(与制备方法有关)。
纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同,内部的原子排列比较整齐,但有时也会出现很大的差别:高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。
二、纳米微粒的基本特性1. 纳米微粒的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的;超细微化后发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
➢大块Pb的熔点为600K,而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。
➢ Ag的熔点:常规粗晶粒为960︒C;纳米Ag粉为100︒C ➢ Cu的熔点:粗晶粒为1053︒C;粒度40nm时为750︒C纳米微粒的熔点降低:由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全、活性大,因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多,使纳米微粒的熔点急剧下降。
✍应用:降低烧结温度。
纳米微粒尺寸小,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,空位团的湮没,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。
纳米材料有哪四个特性纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围(1nm~100nm)或由他们作为基本单元构成的材料。
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
例如粒子直径为10纳米时,微粒包含4000个原子,表面原子占40%;粒子直径为1纳米时,微粒包含有30个原子,表面原子占99%。
纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。
纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面原子占相当大的比例。
随着粒径减小,表面原子数迅速增加。
这是由于粒径小,表面积急剧变大所致。
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活性,极不稳定,很容易与其它原子结合。
例如:金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附并与气体进行反应。
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的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。
随着粒径变小,表面原子所占百分数将会显著增加。
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表面。
由于纳米粒子表面原子数增多,表面原子配位数不足和高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。
2、小尺寸效应当超细微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;非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。
例如:光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移;磁有序态向磁无序态的转变;超导相向正常相的转变;声子谱发生改变等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。
纳米颗粒的物理性质与应用纳米颗粒是指粒径在1到100纳米之间的微粒,具有许多优良的物理性质和应用潜力。
在纳米领域的发展背景下,人们对纳米颗粒的物理性质和应用开展了大量的探索和研究。
本文将就纳米颗粒的物理性质和应用这两个方面展开阐述。
纳米颗粒的物理性质纳米颗粒的物理性质是由其微观结构和组成决定的,其物理性质与其体积呈反比例关系。
当纳米颗粒的粒径变小时,晶体表面积相对于体积增大,其具有如下的物理性质:1.表面效应:表面积大幅增加导致了表面效应的显著增强,表面能和表面物种的吸附几率增加,这种表面效应可以体现在热力学稳定性,力学性能以及化学反应性等方面。
2.量子效应:当纳米颗粒小于其布拉格衍射极限时(该极限由晶胞尺寸决定),则其固有量子效应更加明显,对于纳米颗粒中的光子,其带电粒子的行为发生改变,化学反应速率也必然增加,因此对于荧光、磁性、光学、电学等性质也存在明显影响。
3.热力学性质:在纳米颗粒的热力学性质方面,由于表面边界对其能量和热力学性质的影响,导致纳米颗粒具有更高的表面能,故使其比同体积的材质具有更高的比表面能。
这种性质将离子通道和分子吸附提升到新的水平,引入了充分利用动力学的微纳流体学的可能性。
纳米颗粒的应用2.医药领域:在医药领域,纳米颗粒能被用作良好的微粒载体,可将药物封装在纳米颗粒中,因此就可以大大提高药物的生物利用度,降低药物毒性,强化药物效果和药物的稳定性。
3.电子领域:在电子领域,纳米颗粒的特殊物理性质使其成为探测器、传感器和信息存储设备的重要材料。
例如,纳米颗粒的荧光特性被用于生物传感和显微成像。
4.材料领域:在材料领域,纳米颗粒被用于合成纳米复合材料,如纳米结构材料、高分子纳米复合材料,材料的性质通过控制纳米颗粒的大小和形状等可调控结构性质的参数以及改变材料的组分来调控。
纳米颗粒的陆续应用领域还在不断扩大,各种新的应用和性能不断涌现。
因此,纳米颗粒具有非常广阔的发展前景,其应用前景也将会不断拓展。
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:1064o C;2nm的金粒子的熔点为327o C。
银的熔点:960.5o C;银纳米粒子在低于100o C开始熔化。
铅的熔点:327.4o C;20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。
铜的熔点:1053o C;平均粒径为40nm的铜粒子,750o C。
※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界面组元(晶界):晶粒尺寸与电子平均自由程相当时,主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在,几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。