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材料科学中的纳米结构与性能材料科学是一门研究各种材料物质运用、改变、塑造等方面的科学，涵盖了广泛的领域，而其中的纳米结构是近年来备受关注的焦点。
纳米结构是指在纳米尺度（1~100纳米）的范围内，材料的结构和性质发生了显著的变化，比如硬度、强度、导电性等。
这些性质的改变，带来了新的材料特性和应用前景。
在本文中，将会重点探讨纳米结构在材料科学中的应用和性能。
一、纳米结构对材料性能的影响纳米结构的出现，使得材料的物理、化学性质发生了明显的变化。
特别是在纳米尺度下，一些传统材料变得更加坚硬、强韧，而另一些则会出现松散、易碎等性质。
这些性质的变化，直接影响了材料的应用范围和使用效果。
1.硬度与强度研究表明，随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度和强度会相应地提高。
这是因为晶粒越小，材料中的位错数量就会增加，导致材料的强度和硬度增加。
纳米晶材料的强度甚至可以与金刚石相媲美，因此在制造坚硬耐磨新型材料上有广泛的应用前景。
2.导电性对于电子学和光电学等领域来说，导电性是一项非常重要的性质。
研究表明，纳米结构的材料可以显著提高导电性，如纳米碳管、纳米颗粒等，均表现出了良好的导电性能。
这种性质的改善，使得纳米结构材料在制造高速电子器件、光电器件、甚至是高价值电子元件等领域都有非常广泛的应用。
3.热稳定性材料在使用过程中，不可避免地会受到一定的温度影响，其中的热稳定性是衡量材料抗高温性的重要指标。
研究发现，纳米结构材料中，晶粒的缺陷和杂质的扩散速率均发生了明显的降低，因此具有更好的热稳定性。
这种性质的改进，可以使材料在高温环境下更加稳定，从而使得材料可以扩展到更多的应用场景中。
二、纳米结构的制备技术纳米结构的制备技术对于纳米材料的性质和应用同样重要。
传统材料制备的方法不适用于纳米材料制备，因此需要专门的制备技术。
1.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是指将一个溶解物内的分子或离子在适当的条件下形成胶体凝胶，再通过热处理或化学处理等方法，制备成具有特定纳米结构的材料。
纳米材料结构与性能摘要纳米材料具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。
纳米材料的应用前景十分广阔。
本文简要介绍了纳米材料在结构与性能方面的一些独特的性质，包括其物理效应以及物理化学性质。
关键字：纳米材料，效应，特性1.纳米材料纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100 nm)的极细颗粒组成的固体材料。
从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。
通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。
从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。
一般零维纳米材料有纳米颗粒、量子点等，一维纳米材料有纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等，二维纳米材料主要是纳米薄膜。
实际研究当中还有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊结构的材料，它们整体在三维方向都超过了纳米范围，但是它们都是有纳米材料构成，并且具有纳米材料的性质，因此由纳米材料组成的块体材料也属于纳米材料的范围[1]。
2.纳米材料的微观结构纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，是一种典型的介观系统。
纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，从结构上看，它是由两种组元构成的，即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。
纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，当晶粒尺寸为10 nm 时，一个金属纳米晶内的界面可达6×1025 m2，晶界原子达15% ~50%[2]。
目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构，其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂，若是常规材料，截面应该是一个完整的晶体结构，但对于纳米晶来说，由于晶粒尺寸小，界面组元在整个材料中所占的比例极大，晶界缺陷所占的体积比也相当大，尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构，但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同，由所有这样的界面原子组成的界面，其原子排列方式均不同。
纳米材料的结构与性能纳米材料是指在一维、二维或三维尺度中至少有一个尺寸小于100纳米的材料。
由于其尺寸特殊性，纳米材料具有诸多独特的性能和结构特征。
本文将深入探讨纳米材料的结构与性能，以期对其研究和应用起到一定的帮助。
首先，我们来谈谈纳米材料的结构。
纳米材料的结构形态可以分为多种类型，常见的包括纳米粉末、纳米膜/薄膜、纳米线和纳米颗粒等。
纳米粉末是指粒径小于100纳米的粉末状物质，通常由凝聚或化学方法得到。
纳米膜/薄膜是指在基底上具有纳米级厚度的薄膜，其结构形态可以是连续的，也可以是颗粒状的。
纳米线是一种形态独特的纳米材料，其直径在几十纳米到几百纳米之间，长度可以达到数十微米。
而纳米颗粒则是颗粒状的纳米材料，其尺寸一般在几十纳米至几百纳米之间。
其次，纳米材料的性能是由其特殊的结构决定的。
纳米材料的性能与其尺寸、形态、晶格结构及表面特性等密切相关。
首先，纳米材料具有较大的比表面积。
由于其尺寸小，纳米材料的单位质量表面积要远大于宏观材料，这使得纳米材料具有更多的活性表面，增强了其化学活性、催化性能和吸附能力等。
其次，纳米材料的能带结构与普通材料不同。
由于尺寸效应和限域效应的影响，纳米材料的能带结构发生量子尺寸效应和能带削弱现象，导致纳米材料具有独特的光电特性和电子输运性质。
此外，纳米材料的力学性能也受到了尺寸效应的显著影响，例如纳米线的强度和韧性都明显高于宏观材料。
除了以上结构与性能的关系，我们还需要关注纳米材料的制备方法和应用领域。
目前纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法和机械法等。
物理法包括溅射、凝聚等方法，可以制备出高纯度的纳米材料。
化学法则包括溶液法、气相沉积法等，能够制备出各种形貌和复杂结构的纳米材料。
生物法则是利用生物合成途径，通过微生物、植物或动物等生物体合成纳米材料。
机械法则是利用机械力进行纳米结构的制备，例如球磨、研磨等。
而纳米材料的应用领域十分广泛，包括催化、电子学、光电子学、生物医学、环境保护等。
纳米材料的性质及其在纳米技术中的应用随着科技的不断发展，纳米技术成为了最受关注的领域之一。
纳米技术中包括了一种非常重要的材料：纳米材料。
纳米材料因其独特的性质而备受关注，广泛应用于纳米技术的制造中。
本文将探讨纳米材料的性质及其在纳米技术中的应用。
一、纳米材料的性质1. 尺寸效应纳米材料具有尺寸效应，即当材料的尺寸缩小至纳米级别时，其物理和化学性质将发生显著变化。
一方面，纳米材料的比表面积增加，使得其表面的活性更高，从而增强其催化性能、光学性质和电学特性；另一方面，由于质量和表面积的减小，纳米材料所呈现的物理性质也发生了变化。
例如，纳米粒子的熔点和沸点会随着尺寸的减小而升高，导致其熔点可能高于相应的宏观材料，而导致材料的热稳定性更好。
2. 量子效应当纳米粒子的大小小于一定范围时，由于其电子束缚效应，会表现出量子大小效应。
由于纳米材料的比例变得更大，电子在其周围的空间中运动的范围将变得更小，电子的能级和物理性质也会因此变得不同。
例如，黄金纳米粒子就具有一些特殊的光学性质，在红外光谱中呈现出一个鲜明的吸收峰。
3. 晶界效应纳米粒子由于尺寸的缩小而引起的晶体结构的改变会使其表现出不同的物理和化学性质。
这是由于在纳米颗粒中，晶粒的大小产生变化，因此可以形成诸如晶界、界面和邻域之类的区域。
这些区域的特殊性质可以影响材料的性能和寿命，也可以改变材料的热力学能量和动力学过程。
二、纳米材料在纳米技术中的应用由于纳米材料的特殊性质，它们在纳米技术中有着广泛的应用。
下面介绍几个使用纳米材料的例子：1. 纳米传感器纳米传感器是一种可以在纳米尺度上检测并直接响应环境指标的传感器。
利用纳米材料的比表面积大和高度活性的特点，可以为纳米传感器提供自然的响应界面，使得传感器可以吸附在几乎所有类型的分子并进行准确测量。
这种传感器可以用于环境监测、生物医学诊断和制药等领域。
2. 纳米催化纳米材料具有高度的催化性能和高效的表面反应。
因此，它们广泛用于化学品制造、能源生产和污染处理等领域。
无机纳米材料的结构和性质及其应用无机纳米材料是指粒径在1~100纳米之间的无机物质，具有与宏观材料不同的结构和性质。
它们的小尺寸和高特异表面积使它们具有良好的化学、物理、光学、热学、电学和磁学性质。
这些性质使得无机纳米材料在催化、电池、传感、生物医学、纳米电子学、纳米机械学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍无机纳米材料的结构和性质，以及它们的应用前景。
一、无机纳米材料的结构无机纳米材料的结构可以分为两大类：一是晶格结构，即晶体结构的缩小版；二是非晶态结构，即没有规则有序排列的结构。
其中，晶体结构的纳米材料包括单晶纳米粒子和多晶纳米颗粒，它们是由原子或分子按照一定的空间排列方式组织起来的。
而非晶态结构的纳米材料具有类似于液体或气体状态的无序排列，如玻璃、纤维等。
晶格结构的无机纳米材料主要有四种类型：1）球形纳米粒子，2）棒状纳米颗粒，3）二维或三维纳米结构，常见的有纳米线、纳米管和多孔纳米结构，4）纳米晶体。
这些结构通过物理或化学方法可以制备出来，例如化学合成法、物理气相沉积法、熔融法、溶胶凝胶法等等。
非晶态结构的无机纳米材料主要有以下几种形态：1）无定形纳米材料（如非晶态SiO2）；2）非晶态金属玻璃；3）纳米多晶体结构（如纳米金和镍等）；4）非晶态或化学弱有序状态的铁磁材料。
这些结构通常采用熔融法、溶胶凝胶法和物理气相沉积法等制备。
二、无机纳米材料的性质无机纳米材料由于其小尺寸和高表面积/体积比，具有许多特殊的性质，其性质与普通材料有很大差异，主要有以下几点：1）量子效应。
纳米材料的电子与原子核之间的距离与纳米尺寸和粒径有关。
粒径小到一定程度，纳米材料的这些特性与量子力学联系紧密，表现出典型的量子效应，如发光效应、电子隧穿效应等。
2）表面效应。
由于其高表面积/体积比，纳米材料表面原子向外露出，而且表面结构与内部结构不同，导致表面具有很高的能量和活性。
这些表面效应使得纳米材料具有较强的催化、吸附和反应活性。
纳米材料结构与性能分析纳米材料近年来受到越来越多人的关注。
这种材料具有独特的物理、化学和生物学特性，与宏观材料不同，其性能是由其微观结构决定的。
因此，了解纳米材料结构与性能的关系对于制造高性能、高效材料至关重要。
一、纳米材料结构纳米材料的尺寸在1-100纳米之间，相比于宏观材料，它们的尺寸更小，表面积更大，晶体结构更复杂。
纳米粒子的尺寸可以通过多种方式控制，例如化学合成、溶胶-凝胶法、物理气相沉积等方法。
各种方法的优缺点各不相同，需要根据不同的应用选择不同的合成途径。
纳米粒子可以具有不同的形态，包括球形、棒状、片状、管状等。
此外，纳米结构的表面也可能有氧化物、硫化物、硝酸盐等物质的覆盖层。
这些表面修饰层不仅能够改变纳米结构的物理、化学特性，还可以保护纳米结构免于环境侵蚀。
二、纳米材料性能纳米材料的性质因其尺寸和结构的变化而发生变化。
其中最重要、最能够被发掘利用的特性包括：1.电学性质由于纳米材料的小尺寸，电子在其中的空间受到限制，也就是说，纳米材料具有不同于宏观材料的电学性质。
一方面，由于电子的量子限制效应，纳米粒子的光电转换效率更高，也更易于催化反应；另一方面，靠近表面的电子数更多，表面能态也相应增加，因此纳米材料的导电性能更好。
2.光学性质纳米材料的尺寸与所吸收光线的波长相比较接近，因此它们可以吸收、放射、透射与散射光线的方式与宏观材料有所不同。
这种现象可以用于纳米药物载体的低毒性荧光探针、分子成像诊断等领域。
3.力学性质纳米材料在大量使用之前必须经过控制的制备和精细的表征，以确保其力学性质在合适的范围内。
一般来说，尺寸越小、结构越复杂的纳米材料其力学特性越值得关注。
例如，碳纳米管是一种类似了结构和功能的材料，而其力学特性可以用于伸缩力程较大的电子开关制备等领域。
4.化学反应性纳米材料的化学反应性质可能会因其表面的物理和化学特性而发生变化。
例如，纳米结构具有高比表面积，表面活性更高，所以其分子吸附性、表面催化能力也更高，可以用于制备催化剂、催化反应器等。
纳米材料的结构与性质的研究纳米材料是具有特殊性质的新型材料，其广泛应用领域涉及电子、光电、材料科学等多个方面。
纳米材料的研究已经成为当前材料科学领域的热点之一。
纳米材料的结构与性质的研究是纳米材料研究的重要内容，下面我们就来了解一下关于纳米材料结构与性质的研究。
一、纳米材料的结构纳米材料的结构主要分为两种，一种是晶体结构，另一种是非晶态结构。
纳米晶体结构一般为多晶体或单晶体，其特点是具有非常高的比表面积和非常小的晶粒尺寸。
而非晶态结构则没有明显的晶体结构，这种结构的纳米材料常见于非晶材料、生物材料、玻璃材料等。
纳米材料的结构对其性质和应用表现有着至关重要的影响。
因此，对纳米材料的结构进行深入研究，对于优化其性能和提高其应用效果至关重要。
二、纳米材料的性质纳米材料与常规晶体材料之间的最主要区别在于其所特有的尺寸效应。
因为纳米尺寸与常规尺寸相比，纳米材料往往需要适应不同的物理和化学环境。
1. 机械性能纳米材料的机械性能是其最为重要的性质之一。
由于纳米材料具有非常高的比表面积、非常小的尺寸和表面缺陷等特点，纳米材料的强度、韧性、延展性等力学性质往往与常规晶体材料有所不同。
特别的，纳米氧化铝材料因其具有超高的比表面积，往往表现出很高的硬度和脆性。
纳米钛材料则表现出更大的韧性。
这些性质的不同还取决于所研究的具体粒子尺寸和形态。
2. 电性能纳米材料的电性能是另一个重要的特征。
由于其尺寸效应的影响，纳米材料的导电性、热电性等往往与常规晶体材料有着明显的差异。
在纳米材料中，电子的能级分布和能带结构以及电子的动力学行为都被尺寸效应所影响。
该效应通常会导致纳米材料呈现出不同的导电和热电性，例如，纳米银的导电性往往高于常规尺寸的银。
3. 光学性能纳米材料的光学性质也是纳米材料在应用中具有的明显优势之一。
许多纳米材料都表现出比常规材料更优越的光学性质，如，纳米晶体的荧光性质、纳米金的表面等离子体共振等等。
另外，这些材料往往还能被用作光学传感器、生物探针和照明等。
纳米材料的结构和性质纳米材料是一种具有独特结构和性质的材料，其粒径在1-100纳米之间。
由于其小尺寸和表面效应的存在，纳米材料具有许多优异的物理、化学、生物学等性质，因此在材料科学、物理学、化学、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
本文将从纳米材料的结构和性质两个方面进行探讨。
一、纳米材料的结构纳米材料的结构是其独特性质的重要基础。
纳米材料的结构可以分为三类，即一维、二维和三维结构。
1. 一维结构一维纳米材料是指纳米尺寸下的线性结构，如纳米线、纳米管等。
这些结构的直径通常小于100纳米，长度则可能达到数微米至数十微米不等。
由于其结构形态呈现出高度的一致性，因此可用于生物传感、催化剂制备、分子分离、光电器件等领域的应用。
2. 二维结构二维纳米材料是指極薄厚度且沿两个方向同时集成了垂直层板状结构的纳米材料，如纳米片、纳米层等。
由于其大的表面积对材料的响应更为敏感，具有优异的光电、光学、催化等性质，在颜料、光电器件、电化学电容器等方面有着广泛应用。
3. 三维结构三维纳米材料是指纳米级别下三维有机会多孔织构，一般应用于电催化剂、储氢剂、传感器、催化剂等领域。
其特点在于孔隙性、比表面积大、微型孔或中心孔等结构可能使气体、液体或离子流体在内部获得较高效率的交换。
二、纳米材料的性质纳米材料表现出了与传统非纳米材料明显不同的性质，主要为其尺寸效应、表面效应和晶粒大小效应。
1. 尺寸效应纳米材料的尺寸在几纳米到数十纳米之间，因此导致其具有优异的电学、光学、热学性质。
例如，纳米材料的电和热导率可能随着其粒径的减小而增加，并增加化学反应区电离势的振动能、电子离散化能等因素，从而影响其特性。
2. 表面效应由于纳米材料表面积与体积的比值更大，因此其表面在结构、电学、磁学等方面由于体积表现出了显著的效应。
例如，金属纳米粒子的表面等离激元会导致其在光学、电化学等方面表现出了独特的效应。
3. 晶粒大小效应晶粒大小效应主要影响材料的机械、塑料、磁学性质，因为晶粒大小的减小增加了晶体中分子运动的抵触力。
纳米材料的结构与性能分析纳米科技是当今世界科技领域最为热门的课题之一。
纳米材料是一种自然界或人工合成出来的材料，其尺寸处于纳米级别，即材料的至少一条线度小于100纳米，因此具备了特殊的物理和化学性质。
随着科技的发展，纳米材料的种类也越来越多，如碳纳米管(CNTs)、金属纳米颗粒、磁性纳米材料等，这些材料因其特殊的结构和性质，已被广泛应用于生物医学、纳米电子、催化等领域。
本文将围绕纳米材料的结构与性能展开分析。
1. 纳米材料的结构分析纳米材料的结构与性能密切相关，一般包括形貌、粒径、组成等因素。
其中最基本的结构单元是纳米颗粒，其尺寸通常为1~100纳米，具有很高的比表面积和起伏性。
1.1 纳米颗粒的形貌纳米颗粒的形貌包括几何形貌和表面形貌两个方面。
几何形貌指的是颗粒的形状和大小，如球形、棒状、片状等。
表面形貌指的是颗粒表面的空间结构和化学组成，如平整表面、六棱柱表面等。
1.2 纳米颗粒的粒径纳米颗粒的粒径对其性质有着很大的影响。
颗粒的粒径越小，其比表面积和各向异性越大，从而表现出新的物理和化学性质。
如近年来研究发现，在100纳米以下的金属纳米颗粒中，会出现固态材料中不存在的马洛狄奥凝聚体(Melting Condensation)和烟花状释放(Explosive Release)等现象。
1.3 纳米颗粒的组成纳米颗粒的组成决定了其性质和用途。
不同组成的材料在应用上也会有很大差别。
如金属纳米颗粒可以用于电子器件、催化剂等领域，碳纳米管可以用于纳米电子、涂料、再生能源等领域。
2. 纳米材料的性能分析纳米材料的性质与其结构密切相关。
由于纳米材料尺寸的特殊性质，其具有独特的光学、电学、化学、热学等性质。
2.1 光学性质纳米颗粒可以表现出很多特殊的光学性质，如表面等离子体共振、荧光现象等。
此外，在光电器件和生物医学领域，纳米颗粒的光学性质也得到了广泛应用。
2.2 电学性质纳米材料的电学性质是相对应用广泛的性质之一。
代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461题目:举例说明纳米材料的结构与其性质的关系答:目录1、纳米材料定义2、纳米材料的结构3、纳米材料的性能4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系1、纳米材料定义纳米材料是纳米级结构材料的简称。
狭指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米;从广义上说,纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体和纳米微粒;一维纳米纤维;二维纳米微粒膜(涂层及三维纳米材料。
2、纳米材料的结构材料学研究认为:材料的结构决定材料的性能,同时材料的性能反映材料的结构。
纳米材料也同样如此。
对于纳米材料,其特性既不同于原子,又不同于结晶体,可以说它是一种不同于本体材料的新材料,其物理化学性质与块体材料有明显的差异。
纳米材料的结构特点是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。
在结构上,大多数纳米粒子呈现为理想单晶,也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。
纳米材料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。
晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格位置;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
纳米材料由于非常小,使纳米材料的几何特点之一是比表面积(单位质量材料的表面积很大,一般在102~104m2/g。
它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。
例如:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总共有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。
这些特点完全不同于普通的材料。
例如,普通材料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。
由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点,从物理学的观点来看,就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。
一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。
量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时,描述它的物理规律完全不同于宏观(普通材料的规律,不但要用描述微观领域的量子力学来描述,同时要考虑到有限边界的实际问题。
关于量子尺寸效应处理物理问题,到目前为止,还没有一个较为成熟的适用方法。
表面效应是由于纳米材料表面的原子个数不可忽略,而表面上的原子又反受到来自体内一侧原子的作用,因此它很容易与外界的物质发生反应,也就是说它们十分活泼。
纳米材料由于这两上特殊效应的存在,使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。
目前许多实验和应用结果已经证实,纳米材料的熔点、磁性、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。
例如,将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会燃烧,发生爆炸;用碳纳米管做成的超级电容器,其体积比电容达到600F/cm3,这在同样体积下电容量为传统电容的几百倍;碳纳米管的强度比钢强100倍……。
基于这些令人兴奋的实验结果,我们完全可以预感到,纳米材料的实际应用一定能够大量地满足人们用普通材料不能达到的要求,提高人们的生活质量,大大促进社会的进步。
3、纳米材料的性能运用纳米技术,将物质加工到一百纳米以下尺寸时,由于它的尺寸已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、化学、导热、导电特性等等,往往产生既不同于微观原子、分子,也不同于该物质在整体状态时所表现的宏观性质,也即纳米材料表现出物质的超常规特性。
3.1 纳米材料的特性当物质尺寸度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有109倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。
当小颗粒进入纳米级时,其本身和由它构成的纳米固体主要有如下四个方面的效应。
3.1.1 体积效应(小尺寸效应当粒径减小到一定值时,纳米材料的许多物性都与颗粒尺寸有敏感的依赖关系,表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应。
例如,对于粗晶状态下难以发光的半导体Si、Ge等,当其粒径减小到纳米量级时会表现出明显的可见光发光现象,并且随着粒径的进一步减小,发光强度逐渐增强,发光光谱逐渐蓝移。
又如,在纳米磁性材料中,随着晶粒尺寸的减小,样品的磁有序状态将发生本质的变化,粗晶状态下为铁磁性的材料,当颗粒尺寸小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态,当金属颗粒减小到纳米量级时,电导率已降得非常低,这时原来的良导体实际上会转变成绝缘体。
这种现象称为尺寸诱导的金属--绝缘体转变。
3.1.2 表面与界面效应粒子的尺寸越小,表面积越大。
纳米材料中位于表面的原子占相当大的比例,随着粒径的减小,引起表面原子数迅速增加。
如粒径为10nm时,比表面积为90m2/g;粒径为5nm时,比表面积为180m2/g;粒径小到2nm时,比表面积猛增到450m2/g。
这样高的比表面,使处于表面的原子数越来越多,使其表面能、表面结合能迅速增加致使它表现出很高的粒子化学性。
利用纳米材料的这一特性可制得具有高的催化活性和产物选择性的催化剂。
纳米材料的许多物性主要是由表(界面决定的。
例如,纳米材料具有非常高的扩散系数。
如纳米固体Cu中的自扩散系数比晶格扩散系数高14~20个数量级,也比传统的双晶晶界中的扩散系数高2~4个数量级。
这样高的扩散系数主要应归因于纳米材料中存在的大量界面。
从结构上来说,纳米晶界的原子密度很低,大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散。
普通陶瓷只有在1000℃以上,应变速率小于10-4/s时才能表现出塑性,而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。
3.1.3 量子尺寸效应量子尺寸效应在微电子学和光电子学中一直占有显赫的地位。
粒子的尺寸降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级,吸收光谱阈值向短波方向移动。
这种现象称为量子尺寸效应。
1993年,美国贝尔实验室在硒化镉中发现,随着粒子尺寸的减小,发光的颜色从红色变成绿色进而变成蓝色,有人把这种发光带或吸收带由长波长移向短波长的现象称为"蓝移"。
1963年日本科学家久保(Kubo给量子尺寸效应下了如下定义;当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级现象。
3.1.4 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。
用此概念可定性地解释超细镍微粒在低温下继续保持超顺磁性。
科学工作者通过实验证实了在低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应。
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。
由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使纳米粒子之间、纳米粒子与其它粒子之间的相互作用异常强烈。
从而使纳米材料具有一系列的特殊的光、电、热、力学性能和吸附、催化、烧结等性能。
3.2 纳米材料的性能3.2.1 力学性能高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题,纳米结构材料的硬度(或强度与粒径成反比(符合Hall-Retch关系式。
材料晶粒的细化及高密度界面的存在,必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。
在纳米材料中位错密度非常低,位错滑移和增殖采取Frand-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生,此即纳米晶强化效应。
3.2.2 光学性能纳米粒子的粒径(10~100nm小于光波的波长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。
金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。
由于量子尺寸效应,纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象,纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。
此外,TiO2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。
块状金属具有各自的特征颜色,但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时,所有金属便都呈黑色,且粒径越小,颜色越深,即纳米晶粒的吸光能力越强。
纳米晶粒的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。
由于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带,因而造成窄的吸收带。
半导体硅是一种间接带隙半导体材料,通常情况下发光效率很弱,但当硅晶粒尺寸减小到5nm及以下时,其能带结构发生了变化,带边向高能带迁移,观察到了很强的可见发射。
4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射。
3.2.3 电学性能由于纳米材料晶界上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导,金属向绝缘体转变,在磁场中材料电阻的减小非常明显。
电学性能发生奇异的变化,是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束从而呈现出量子限域效应。
在纳米颗粒内,或者在一根非常细的短金属线内,由于颗粒内的电子运动受到限制,电子动能或能量被量子化了。
结果表现出当金属颗粒的两端加上电压,电压合适时,金属颗粒导电;而电压不合适时金属颗粒不导电。
这样一来,原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。
金属银会失去了典型金属特征;纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级;常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大,电阻温度系数下降甚至出现负数;原来绝缘体的氧化物到了纳米级,电阻却反而下降,变成了半导体或导电体。
纳米材料的电学性能决定于其结构。
如随着纳米碳管结构参数的不同,纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。
3.2.4 磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。
纳米颗粒由于尺寸超细,一般为单畴颗粒,其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。
纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关,与粗晶粒材料有着显著的区别,表现出明显的小尺寸效应。
纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。
超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
3.2.5 热学性能由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱,因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。
如金属银界面热膨胀系数是晶内热膨胀系数的2.1倍;纳米铅的比热比多晶态铅增加25%~ 50%;纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍;晶粒尺寸为8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。
