材料的亚稳态

格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分
有趣的现象。
众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子 是金黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至 于金属以外的材料，例如无机化合物和有机化合物， 它们也可以带着不同的色彩，瓷器上面的釉历来都 是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳 无比。
可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时， 它们的颜色便一律都是黑色的，瓷器上的釉、染料 以及各种金属统统变成了一种颜色——黑色。正像 格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比， 性能上发生了“翻天覆地"的变化。
五彩斑斓的蝴蝶

蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着
迷。这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱的颜色
是如何形成的，又有什么不同意义呢？最近，荷兰格罗宁
根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的通道。在
研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后，希拉尔多博士揭示 了这个秘密：翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。
格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的 想法一步一步地深入，如果组成材料的晶体晶粒细 到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或 许会发生“翻天覆地”的变化吧！
格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验， 经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几 个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合 物和有机化合物的超细粉末。

格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概
念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产
品。
2. 纳米晶材料的性能
纳米晶材料不仅具有高的强度和硬度，其塑 性韧性也大大改善。纳米晶导电金属的电阻 高于多晶材料，纳米半导体材料却具有高的 电导率 ，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强 度、高的磁化率和低的矫顽力。
由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料， 通常称为纳米复合材料。
1了，“小不点”会不 会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材 料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学 思路。
那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游， 当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂 寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。 他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小 对材料的性能有很大的影响，晶粒越小，强度就越 高。
壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛，可以使壁虎 以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很 纤弱，但足以使所谓的范德华键发挥作用，为壁虎提 供数百万个的附着点，从而支撑其体重。这种附着力 可通过“剥落”轻易打破，就像撕开胶带一样，因此 壁虎能够穿过天花板。
利用“罗盘”定位的蜜蜂

研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都
由于这种独特的锥状结构，它可能会在扫描探针显微学、场 电子发射器件、纳米加工以及生物化学等领域有广泛的应用前 景。与相同长度的碳纳米管相比，管状石墨锥具有极其优越的 径向机械强度和稳定性， 可以做为理想的扫描探针的针尖、纳 米机械压头和场发射材料。锥内的小孔径通心管（几个到几十 个纳米）又可以做为储存和输运液态物质的纳米通道。特别重 要的是，石墨锥的底部尺寸达到了微米量级，它可以用今天的 微加工技术直接操作，是制作单个纳米器件非常理想的材料。

他的研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的
鳞片状物质，它们就像圣诞树上小小的彩灯，在光线的照耀
下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一个身份
标志。不同颜色的翅膀，让形色万千的蝴蝶能在很远的地方
就识别出同伴，甚至辨别出对方是雄是雌。
会吐丝的蜘蛛
蜘蛛的网常常出现在长久没有清扫的房间角落。 对于普通人而言，蜘蛛网并不是什么了不起的东西， 用扫帚轻轻一拂，蜘蛛网就被扫掉了。但是蜘蛛丝 本身确实是大自然的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直径
非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：
（1）细晶组织
当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状 态。
（2）高密度晶体缺陷的存在
晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则 性下降，故体系自由能增高。
（3）形成过饱和固溶体
即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在 平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。
经过研究，怀特发明了这种“自我愈合”例举材料—其 内部含有数百万充满液体的微型胶囊，一旦车身出现裂纹， 只有0．1毫米厚的胶裂壁就会破裂，并释放出液态的“修复 剂”二环戊二烯，在毛细管作用下，会把液态“修复剂”输 送到裂缝处，涌入裂缝的“修复剂”在几分钟之内就会凝固， 在裂纹还很细小的时候就将它们“填平”，从而显著延长汽 车的使用寿命。
（3）通过蒸发、溅射等沉积途径，如物理气相沉积（PVD）、 化学气相沉积（CVD）、电化学方法等生成纳米微粒然后固化， 或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。
（4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理时效 沉淀法等，析出纳米微粒。
新纳米结构
1.- turumenwtn管状石墨锥
新纳米结构的探索是近年来物理、化学、材料等领域的 研究热点之一。中科院物理所王恩哥小组在多年从事CVD方 法制备轻元素纳米结构的基础上，用自行研制的微波等离子 体CVD系统在铁针尖上成功合成了一种新纳米结构 - 管状石 墨锥。为了进一步确定这种特殊结构，博士生张广宇同学赴 德国夫琅和夫研究所在姜辛博士的指导下，进行了仔细的电 镜分析。这项研究发现，新的纳米结构的外形呈多棱锥状， 锥的中心是一个空管。锥的顶部直径2 - 20个纳米，而底部直 径可达1微米。更加令人惊奇的是所有的石墨层具有相同的手 性—zigzag型。

为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都 成了黑色的呢？原来，当材料的颗粒尺寸变到小于光波的波 长（1×10-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低， 大约低到小于1％，既然超细粉末对光的反射能力很小，我 们见到的纳米材料便都是黑色的了。
“小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名 的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属 从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶 瓷制品再也不会一摔就破了。
（4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳 新相
例如钢及合金中的马氏体、贝氏体
（5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序， 自由能增高 。
纳米晶材料的结构
纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少 在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元 （主要是晶体）所构成。
纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中 存在大量的晶体缺陷。纳米材料也可由非晶 物质组成。
2.被撞汽车自我愈合
有一种正处于研发期的新材料——“自我愈合”材料，
将是发生交通事故之后车身自我修复的关键物件。 美国伊利诺伊州立大学教授斯科特·怀特最近研制出“自
我愈合”材料。 “在人的一生中，人体总在不断地进行自我修复。”怀
特说。例如，当人的皮肤被割破时，伤口会给附近的血小板 和自细胞发出信号，使它们开始自我修复工作。 “这个主意不错，在裂缝形成的同时就修复它们。”怀特 说。
有100纳米左右，是真正的纯天然纳米纤维。通
常，一千根蜘丝合并后比人的头发丝还要细十分之 一。
如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳 索，那么它可以吊起上千吨重的物体，其强度可与 钢索相媲美 。
除了用于捕捉飞虫外，几乎所有的蜘蛛都还用
蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。
自然界中的纳米高手
纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米 技术，则是在纳米尺度(1到1000纳米之间)上研究物质的特 性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中， 纳米材料是其主要的研究对象与基础。
事实上，纳米技术并不神秘，也并不是人类的专利。早 在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如， 那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才 千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才 那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样 柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾 水，就连我们人类的身体，也是一纳米一纳米生长起来的， 所以才那样复杂！
存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生
物的定位与运动行为具有重要意义。
最新的科学研究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，
这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这
种“罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储 的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时，实际上就是把自己 原来存储的图像和所见到的图像进行对比，直到两个图像达 到一致，由此来判断自己的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进 行导航，蜜蜂可以完成数公里的旅程。
1.洁身自好的莲花
一提到莲花，人们就会很自然地联想到荷叶上滚动的露 珠，即所谓的莲花效应。那么，什么原因导致了这种莲花效 应呢？莲花效应又能给莲花本身带来什么好处？

现代电子显微镜技术给可以帮助我们给出正确的答案。
通过电子显微镜，可以观察到莲叶表面覆盖着无数尺寸约10
个微米突包，而每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米
材料的亚稳态
稳 态：体系自由能最低的平衡状态。 亚稳态：如果体系能量高于平衡态时的自由能，则是一种非平
衡状态。 同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的 性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表 现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其 处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳 态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。
纳米材料的其他性能，如超导临界温度和临 界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化 作用等也是引人注目的。
3 . 纳米晶材料的形成
纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。 （1）以非晶态（金属玻璃或溶胶）为起始相，使之在晶化过 程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。
（2）起始为通常粗晶材料，通过强烈塑性形变（如高能球磨、 高速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如高能粒 子辐照、火花刻蚀等）使之产生高密度缺陷而致自由能升高， 转变形成亚稳态纳米晶。
的更细的绒毛。这是自然界中生物长期进化的结果，正是这
种特殊的纳米结构，使得荷叶表面不沾水滴。
借助莲花效应，莲花可保持叶子清洁。当荷叶上有水珠 时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠可以粘起叶面上的灰尘， 并从上面高速滑落，从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。
2.飞檐走壁的壁虎
壁虎可以在任何墙面上爬行，反贴在天花板上， 甚至用一只脚在天花板上倒挂。它依靠的就是纳米技 术。