纳米材料的特性是什么？

纳米材料的特点：

（1）表面与界面效应。

主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。

（2）小尺寸效应。

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。

（3）量子尺寸效应。

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

（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。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

假如给你一块橡皮，你把它切成两半，那么它就会增加露在外面的表面，假如你不断地分割下去，那么这些小橡皮总的表面积就会不断增大，表面积增大，那么露在外面的原子也会增加。如果我们把一块物体切到只有几纳米的大小，那么一克这样的物质所拥有的表面积就有几百平方米，就像一个篮球场那么大。随着粒子的减小，有更多的原子分布到了表面，据估算当粒子的直径为10纳米时，约有20％的原子裸露在表面。而平常我们接触到的物体表面，原子所占比例还不到万分之一。当粒子的直径继续减小时，表面原子所占的分数还会继续增大。如此看来，纳米粒子真是敞开了胸怀，不像我们所看到的宏观物体那样，把大部分原子都包裹在内部。

正是由于纳米粒子敞开了胸怀，才使得它具有了各种各样的特殊性质。我们知道原子之间相互连接靠的是化学键，表面的原子由于没能和足够的原子连接，所以它们很不稳定，具有很高的活性。用高倍率电子显微镜对金的纳米粒子进行电视摄像，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，它既不同于一般固体，也不同于液体；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。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化和燃烧。如果要防止自燃，可采用表面包覆或者有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层。

概括一下，纳米颗粒具有如下一些的特殊性质：

光学性质

纳米粒子的粒径(10～100纳米)小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。纳米材料因其光吸收率大的特点，可应用于红外线感测材料。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性，可以将纳米粒子制成光热、光电等转换材料，从而高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外，又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

热学性质

固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点往往是固定的，超细微化后，却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。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米时，熔点则降低27℃，2纳米时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点则可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具有高质量。日本川崎制铁公司采用0.1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

磁学性质

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2纳米的磁性氧化物颗粒。这些纳米磁性颗粒的磁性要比普通的磁铁强很多。生物学家研究指出，现在只能“横行”的螃蟹，在很多年前也是可以前后运动的。亿万年前螃蟹的祖先就是靠着体内的几颗磁性纳米微粒走南闯北、前进后退、行走自如，后来地球的磁极发生了多次倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了正常的定向作用，使它失去了前后进退的功能，螃蟹就只能横行了。

力学性质

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。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此纳米陶瓷材料能表现出甚佳的韧性与一定的延展性，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，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。至于金属一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，其应用前景十分宽广。

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