纳米材料的基本效应

纳米材料的基本效应及其应用,主讲人：安博,组员：陈晴朗李春阳孙钦佩,纳米材料的基本效应,体积效应,量子隧道,表面效应,介电限域,量子尺寸,纳米材料的基本效应,体积效应当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，这就是纳米粒子的体积效应。纳米粒子的以下几个方面效应及其多方面的应用均基于它的体积效应。,体积效应的应用,纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉粉冶金工业提供了新工艺。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一种频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁屏蔽，隐形飞机等。,特殊的光学性质,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。银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属的超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于百分之一，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热光电转换材料，可以高效率的将太阳能转变为热能电能，此外又可能应用于红外隐身技术等。,特殊的光学效应,当黄金被制成纳米粒子时，颜色不再是金黄色而呈红色，说明光学性质因尺寸的不同而有所变化。,特殊的光学效应,1991年春的海湾战争，美国执行任务的F-117A隐形战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同的波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐身的目的。,F-117A隐形战斗机,特殊的热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时，熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点显著降低，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度，当颗粒小到10纳米是，则降低27度，2nm尺寸时的熔点仅为327度左右；银的常规熔点为670度，而超微银颗粒的熔点可低至100度。因此，超微细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时原件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既洁身材料又具高质量。,特殊的热学性质,金属纳米颗粒表面的原子十分活泼，实验发现，如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作为固体火箭的燃料、催化剂。例如，在火箭的固体燃料推进剂添加1重量的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加1倍。,特殊的磁学性质,特殊的磁学性质,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重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，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20nm的磁性氧化物颗粒。,特殊的磁学性质,小尺寸的超微粒磁性与大块材料的显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到20纳米以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6纳米时，其矫顽力反而降低到0，呈现超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,特殊的力学性质,陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，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。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3-5倍。至于金属陶瓷等复合纳米材料则可在更大范围内改变材料的力学性质，其前景十分宽广。,纳米材料的基本效应,表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,表面效应,下表为纳米粒子尺寸与表面原子数的关系,表面效应,从表可以看出，随粒径减小，表面原子数迅速增加。另外，随着粒径的减小，纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小，处于表面的原子数越多。表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易于其他原子想结合而稳定下来，因而表现出很大的化学和催化活性。,表面效应的应用,许多金属的纳米粒子室温下在空气中就会被强烈的氧化而燃烧金属纳米粒子自燃无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应吸附剂（碳纤维碳管合金等载体）。很多催化剂的催化效率随尺寸减小到纳米量级而得到显著提高催化剂。,碳60（具有良好的催化活性）,纳米材料的基本效应,量子尺寸粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo采用一电子模型求得金属超微粒子的能级间距为：4Ef/3N。,量子尺寸效应,式中Ef为费米势能，N为微粒中的原子数。宏观物体的N趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限，N值较小，导致有一定的值，即能级间距发生分裂。半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级，表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。,纳米材料的基本效应,隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。,隧道效应的应用,作为势垒的两个纳米颗粒间的距离很小时，对能够在其间隧穿的电子波长将产生限制，当外来电子具有的能量所对应的波长符合限定波长时，电子波可由于共振很容易通过颗粒间隙，形成量子隧穿导电。据此规律开发出一种新型的量子效应器件共振隧穿二极管,纳米材料的基本效应,介电限域纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气聚合物玻璃和溶剂等介质所包围，而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料，介电限域效应对反应过