纳米材料的发展历史现状及

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量子尺寸效应 小尺寸效应 表面与界面效应 宏观量子隧道效应 介电限域效应
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量子尺寸效应（The quantum size effect ）
量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时， 费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或 者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、 光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、 声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。
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早在20世纪60年代，久保（Kubo）采用一电子 模型求得金属纳米晶粒的能级间距δ为： δ=4Ef/3N 式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。
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小尺寸效应 （Small size effect ）
当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理 特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件 将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的 原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学 等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
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比如按相对论的推理，当物体速度超过光速后， 时间就会成为负值，即出现时间倒转，这是不可 能的，从环境条件的观点来看，这个理论的适用 范围就是物体的速度不超过光速。
物体的尺寸大小也一样，当物质的聚集形式达到 纳米尺度，物质与常态下该物质相比就会出现许 多本质的不同，原来的良导体可能变成绝缘体、 惰性物质可能变成活性物质，而且这些现象也无 法用原来的理论加以解释，这就说明原来的理论 已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代 之，如：
纳米颗粒由于其表面原子占有的体积比大，表面 键态和电子态不同，原子配位不全等，可使表面 活性增加，具有优异的催化特性，所以，纳米颗 粒材料在催化剂材料中得到广泛的应用。
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将纳米Pt颗粒、Al2O3，、Fe2O3，等作为催化 剂，已在高分子高聚物氧化、还原和合成反应中
得到应用；纳米高铬酸铵是制造炸药的极佳催化 材料；纳米Ni粉可代替金属Pt用于许多催化领域； 纳米Pt、WC还是氢化反应的高效催化剂；在火 箭发射的固体燃料推进剂中添加质量1％的纳米 铝粉和镍粉，可使固体燃料的燃烧增加一倍以上，
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制备技术方面
物质的颗粒越小，其表面积越大。物质体系的表面能 越高，同时物质的颗粒越小，其原子(分子)的混乱度 越大，体系的熵值也越大，体系就越不稳定。因此纳 米状态实际上是一种不稳定的高能体系状态。它会自 发的由小颗粒的高能状态向大颗粒的低能状态转变， 这就是我们在纳米材料中常说的团聚。因此纳米材料 在制备和应用过程中的一个较大的困难就是要防止纳 米材料的团聚。纳米颗粒一旦发生团聚，材料在纳米 尺度范围所表现出的优异性能就会丧失待尽。
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1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。
在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带
来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质在不同的 聚集状态及环境条件下，自身的物性规律和运动规律 都将可能发生根本性变化。换言之，当环境条件超过 某一极限范围后，物质的运动规律、性质都会发生质 的变化，其相应的理论也将发生改变，必须寻找新的 适应该环境条件范围内的理论与之相适应。
纳米材料的发展历史及现状
化工09-5 宁志龙
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纳米材料的发展历史
纳米材料的应用其实很早就有了，只是没有上升成纳 米材料的概念。早在一千多年前，我国古代利用燃烧 蜡烛收集的碳墨作为墨的原料及染料。这是应用最早 的纳米材料。
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2Leabharlann Baidu
我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝，经检验发现其表面有一
纳米镍粉代铂粉作为化学反应的催化剂价格比铂 粉低了3倍多，但催化效果却大10倍。纳米 SiO2：，TiO2：在光催化作用下能够快速降解 有机高分子化合物，为垃圾处理带来新的无二次 污染的好方法。纳米SiO2：，TiO2：在光催化 降解反应最有希望解决白色污染的问题。
层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。以及十八世纪中叶，胶体化学 的建立，科学家们开始研究直径为1-100nm的粒子系统。这 种液态的胶体体系就是现在所说的纳米溶胶。
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硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒
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在后来的催化剂的研究中，人们制备了铂黑，这大约是纳米金属 粉体的最早应用。但是把纳米材料正式作为材料科学的一个新的 分支是1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技 术学术会议上确定的。
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宏观量子隧道效应
宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当 微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能 穿越这一势垒。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 量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
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介电限域效应
介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和 内部局域场强的增强。当介质的折射率对比微粒的 折射率相差很大时，就产生了折射率边界，这就导 致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这 种局域场强的增强称为介电限域。一般来说，过渡 族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效 应，纳米颗粒的介电限域对光吸收、光化学、光学 非线性等都会有重要的影响。
所以将1990年七月以前作为纳米材料发展的第一阶段，在这之前， 从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备 不同材料的纳米粉末，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的 方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性，但研究大部分局 限在同一材料。
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在这一阶段中最值得一提的是1985年发现的碳纳米原子 团簇-C60。这种材料的研制成功使人们看到它具有普通 尺寸碳材料不具备的特殊性能。这种材料的碳原子数目 是稳定的。纯的C60固体是绝缘体，但是采用碱金属掺 杂后就成为导电性很好的材料，可以与金属相比。甚至 成为超导体。同时发现C60在低温下呈现铁磁性。
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目前经过广大科学家的努力，在纳米材料的制备技
术方面已取得了较大的成功，迄今为止，绝大部分
金属、氧化物和碳等都能制备出来，许多金属、 SiO2、TiO2、CaCO3、石墨等的纳米级材料，已 经能够规模生产。
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纳米金属材料
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纳米二氧化钛
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应用研究方面
一 催化、降解材料领域