纳米材料的基本效应及应用

纳米材料的特异效应及应用

摘要：介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应，这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用，叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用，并说明了它还将有更广阔的应用前景。

关键词：纳米材料；基本效应；应用

Nanostructured material’s special effects and

its applications

Abstract：The particular small size effect，surface effect，quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects，nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ，optics ，electronics ，and sensitivity，ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ，sensitivity ，magnetics，food ,cosmetics and biomedicine，and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated.

Key words：nanometer materials ；basic effect ；application

1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料，同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议，使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着纳米科技的正式诞生；1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。

纳米材料是指由纳米粒子构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm，在通常情况下，应不超过l0nm。即这种材料是指其基本颗粒在l～100nm 范围内的材料。纳米粒子是处在原子簇和宏观物质交界的过渡区域，是一种典型的介观系统，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种颗粒材料。随着物质的超细化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物质材料所不具有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和介电限域效应，从而使超细粉末与常规颗粒材料相比较具有一系列特异的物理、化学性质，使之作为一种新材料在国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物和医学等领域中开拓了广阔的应用前景。

1纳米材料的特异效应

1.1小尺寸效应

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. 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、热力学等特性呈现新的小尺寸效应。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域。例如，随着纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低，烧结温度也显著下降，从而为粉末冶金工业提供了新工艺；而金属超微颗粒对光的反射率通常低于1%，且尺寸越小，金属颜色越黑，利用该特性可作为高效率的光热、光电等转换材料，高效率地将太阳能转变为热能、电能。

1.2表面效应

表面效应是指纳米粒子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。或者说，表面效应是指表面原子占总原子数的百分数随粒子半径的变化而变化，造成纳米粒子性质的变化。由图1可见，随着粒子半径的减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒子粒径的减小，粒子的表面积急剧增大所造成。表面原子或分子的比例大致和a/r成正比（a 为原子半径，r 为粒子半径）。如图1所示，10nm的粒子表面原子占原子总数20%，2nm时占80%，1nm 时占90%。由于表面原子增多，原子配位不足及高的表面能，使表面原子有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。配位越不足的原子，越不稳定，极易转移到配位数多的位置上，表面原子遇到其他原子很快结合，使其稳定化,这就是活性原因。这种表面原子的活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。例如，金属纳米粒子在空气中会燃烧；暴露的无机纳米粒子会吸附气体，并与气体进行反应。

1.3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，纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低末被占分子轨道能级，以及能隙变宽等现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应导致纳米微粒的光、电、磁、力、热、声以及超导电性与宏观特性有显著的不同。例如，纳米微粒对于红外吸收表现出灵敏的量子尺寸效应；共振吸收的峰比普通材料尖锐得多；比热容与温度的关系也呈非线性关系；金属普遍是良导体，而纳米金属在低温下都是呈现电绝缘体。

1.4宏观量子隧穿效应

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宏观量也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，被称为纳米粒子的