納米材料與技術(shù)講稿.doc

第二講 納米材料一、引言在人類科技發(fā)展的歷史長河中，紿終朝兩個目標(biāo)奮斗：一個是向著越來越大、越遠(yuǎn)的宏觀世界進(jìn)軍，發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡向著世界的廣度進(jìn)軍，探索宇宙的起源和進(jìn)化；另一個是向著越來越小、越深的微觀世界發(fā)展，發(fā)明了各種顯微鏡、粒子加速器，向著分子、原子、原子核、基本粒子的微觀層次不斷地探索物質(zhì)起源和結(jié)構(gòu)。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們對微觀世界的認(rèn)識已延伸到十分微小的層次，時間已縮短到納(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飛秒(10-15秒)的數(shù)量級。描述這些微觀體系的學(xué)科相繼建立，如原子核物理、粒子物理、量子力學(xué)等。在向著這兩個極端目標(biāo)無盡的征途中，人們驀然回首，發(fā)現(xiàn)我們對原子分子和宏觀物體之間的中間領(lǐng)域，即納米領(lǐng)域，卻尚未認(rèn)識和開拓。20世紀(jì)60 年代人類社會進(jìn)入了一個被稱為“后工業(yè)社會”、“信息社會”、“新經(jīng)濟(jì)社會”、“知識社會”等擁有多種名稱的社會?？茖W(xué)家已經(jīng)在新材料和新加工技術(shù)的開發(fā)中創(chuàng)造新的社會文化。在材料科學(xué)的積累和進(jìn)步中，以及在探測材料組織設(shè)備的不斷更新和完善的基礎(chǔ)上，信息與通訊材料、電子材料、光子材料正創(chuàng)造著“信息時代”；航空航天材料、高聚物、復(fù)合材料等也開創(chuàng)了“太空時代”；醫(yī)學(xué)材料、高級陶瓷、生物材料、轉(zhuǎn)基因食物、克隆材料又開啟了“生命復(fù)制時代”等等。在這些不同領(lǐng)域的功能材料的背后，人們都可以發(fā)現(xiàn)一種材料的身影，那就是方興未艾的納米材料。人們發(fā)現(xiàn)，納米材料出現(xiàn)許多既不同于宏觀物體，也不同于微觀體系的奇異性能，而且，這個領(lǐng)域才是對人類自身關(guān)系最密切的物質(zhì)層次，于是人們又回過頭“重整舊山河”，集中精力開展納米科技的研究。20世紀(jì)80年代，納米科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人類科學(xué)技術(shù)已進(jìn)入一個新的納米科學(xué)技術(shù)時代，人類即將從“毫米文明”和“微米文明”邁向“納米文明”。 21世紀(jì)以納米技術(shù)為代表的新興科技將給人類帶來第三次工業(yè)革命，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將推動信息、材料、能源、環(huán)境、生物、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來極大的變革，進(jìn)而為人類創(chuàng)造出許多新材料、新產(chǎn)品，徹底改變?nèi)藗兦О倌陙硇纬傻纳盍?xí)慣和生產(chǎn)模式。所以，納米技術(shù)必將成為21世紀(jì)的科技發(fā)展的領(lǐng)頭羊。二、什么是納米材料？納米是一個尺度的度量，最早把這個術(shù)語用到技術(shù)上是1974年底在日本出現(xiàn)，但是以“納米”來命名的材料是在20世紀(jì)80年代。它作為一種材料的定義把納米顆粒限制到1-100nm范圍，或者是把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100納米以下的長度尺寸的材料稱為納米材料，也可以說納米材料的平均粒徑或結(jié)構(gòu)疇尺寸在100nm以下。它的整個涵義是在納米尺寸(10-10一10-7m)范圍內(nèi)認(rèn)識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造新物質(zhì)。在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在，廣義地納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)、納米材料的基本單元可分為三類：零維，指在空間三繼尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；一維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；二維，指在三維空間中有維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。因?yàn)檫@些單元往往具有量子性質(zhì)，所以，對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點(diǎn)、量子線和量子阱之稱。按照材料的幾何形狀特征，可以把納米材料分類為：(1)納米顆粒與粉體(屬零維)；(2)納米碳管和一維納米線、納米管(一維)；(3)納米帶材(二維)；(4)納米薄膜(二維)；(5)孔材料，如多孔碳、分子篩等。納米材料自身包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩部分，一是直徑為幾或幾十納米的粒子，二是粒子間的界面，而且這兩部分的比例隨材料粒徑的減小發(fā)生變化。可以預(yù)料，納米材料的性質(zhì)會區(qū)別于，而且往往優(yōu)于那些由粗晶粒組成的傳統(tǒng)材料。三、熟悉的納米材料3.1、最早的人工納米材料墨我國的漢字是至今通行的世界上最古老的文字。從甲骨文經(jīng)過金文、大篆、小篆、草書、隸書、楷書、行書發(fā)展到今天的漢字，已有3000多年的歷史，在全世界還找不出第二種。漢字的優(yōu)點(diǎn)之一是本身具有巨大的美感，是世界上能成為書法藝術(shù)品的最主要文字。用筆和和墨創(chuàng)造書法藝術(shù)是我中華文化的一絕。著名的文房四寶中的墨就包含碳的納米微粒。我國古代的勞動人民早就掌握了用簡單方法獲得納米材料。2000多年前，他們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經(jīng)冷凝后變成很細(xì)的碳粉。這種碳粉不但是制墨的原料，而且還可以用做染料。用這種方法獲得的碳粉實(shí)際上就是納米粉體。但我們的祖先并不知道納米材料的概念，也沒有任何手段來分析這些納米小顆粒，然而，他們卻知道用這種方法獲得的超紉碳粉所做成的墨具有良好的性能。我國最著名的墨要算安徽出產(chǎn)的徽墨，用其寫的毛筆字有光澤且較長時間不褪色。制作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱(tai)，也就是煙凝結(jié)成的黑灰。制墨時所用的黑灰越細(xì)，墨的保色時間越長。徽墨用納米級大小的松煙炱（即所謂“精煙徽墨”）和樹膠及少量香料及水份制成，所以很名貴，書寫的毛筆字能保持較長時間不褪色。我們的祖先很早就開始同黑灰打交道。從距今180萬年前的山西芮城，170萬年前的云南元謀，80萬年前的陜西藍(lán)田，60萬年前的北京周口店山洞里，都發(fā)現(xiàn)了碳灰，而碳灰的尺度大大小小，其中就有納米級的顆粒，甚至在灰燼中已有今天才認(rèn)識的碳納米管和巴基球(C60)。我們的漢字青春常在，是否同我們的祖先最早懂得使用碳納米材料有必然的聯(lián)系呢？3.2、人工納米涂層中國古代銅鏡表面的防銹層，經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的層薄膜；湖北江陵出土的勾踐劍到今天仍然鋒利，沒有銹蝕，這也歸功于劍身表面的納米氧化物涂層。雖然當(dāng)時人們并不知道涂層是由人肉眼根本看小到的納米尺度小顆粒構(gòu)成，但卻懂得使用它們來保護(hù)自己的工具。3.3、天然納米材料觀音土在我國的歷史上，每當(dāng)遇到災(zāi)害和戰(zhàn)亂的時候，觀音土這個名詞就會經(jīng)常出現(xiàn)。窮人在青黃不接時或?yàn)?zāi)荒年間，常常靠吃觀音土活命。在微觀上，觀音土究竟什么樣？最近，中外科學(xué)家們都開始關(guān)注觀音土，發(fā)現(xiàn)觀音土其實(shí)是一種天然的納米孔材料。人造納米材料有成團(tuán)、難分散、不穩(wěn)定三大困難，而且暫時還不能完全克服。自然界的觀音土，即硅藻土沒有這三大困難。硅藻土是硅藻這種單細(xì)胞藻類生物留下來的遺體，大約距今2500萬年以前，硅藻曾是地球上的主人，幾乎有水的地方就有它們的存在。硅藻死亡后的殘骸沉積到水底被埋藏起來形成了生物沉積巖，就是今天所看到的硅藻土。從電子顯微鏡所拍到的照片，可見硅藻土的各種形態(tài)。它們的形體尺寸一般為幾個微米到幾十微米，最小也有一微米。其殼壁由非晶質(zhì)二氧化硅和果膠組成，殼縫為125納米左右。對殼壁上點(diǎn)紋、線紋觀察后發(fā)現(xiàn)，它們都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20-100納米。所以硅藻土是天然的納米孔材料。提純、改性后的硅藻精土在處理城市污水等方面已表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。 3.4、生物中的納米結(jié)構(gòu)和納米材料大千世界無奇不有，最奇妙、最復(fù)雜的莫過于有機(jī)物生命體的生物世界了。從原于和分子的角度看，又是那么簡單，這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、硅、硫、鐵、鈉，再加上一些微量元素所組成，而且它的生、老、病、死、遺傳、變異等都是在自然條件下靜悄悄地進(jìn)行的，用不著高溫、高壓、高真空等等的苛刻條件。生物多樣性及其復(fù)雜性的來源，不是主要決定于組成它的原于和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，以及納米尺度上的生命運(yùn)動規(guī)律。自然界中早就存在納米微粒和納米結(jié)構(gòu)，只是我們沒有注意到而已。3.4.1、自潔的荷花周敦頤所著的愛蓮說中對荷花有一句深刻的描寫，至今仍然膾炙人口：“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”。從這兩句描寫中可以看出，古人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)荷葉具有很強(qiáng)的自潔作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷葉的干凈清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。今天人們發(fā)現(xiàn)，荷葉葉面部具有較強(qiáng)的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。楊萬里映日荷花別樣紅那荷葉為什么能出污泥而不染？為什么會有這種“荷葉效應(yīng)”?從荷葉的基本化學(xué)成分來看，荷葉是由葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物組成，因而擁有豐富的-OH、-NH等極性基團(tuán)。這些極性基團(tuán)在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬，因此用傳統(tǒng)的化學(xué)分子極性理論來解釋是行不通的。有些科普書中是這樣解釋的：“出水荷葉上濺了水滴，由于荷葉上有細(xì)毛，水不能吸附在荷葉上”。荷葉上有細(xì)毛這一點(diǎn)，憑手感就能察覺，但其表面根本達(dá)不到機(jī)械學(xué)意義上的粗糙度，因而從機(jī)械學(xué)的粗糙度來解釋也不行，經(jīng)過兩位德國科學(xué)家的長期觀察研究，終于揭開荷葉自潔的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的“山包”，“山包”的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而這些“山包”又是由許多直徑為200nm左右的突起組成的。這樣就在“微米結(jié)構(gòu)”上再疊加上“納米結(jié)構(gòu)”，在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數(shù)“小山”。在“小山”之間的凹陷部分充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級厚度的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上面，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個點(diǎn)接觸，在“山頭”間跑來跑去，卻不能進(jìn)入到荷葉內(nèi)部。于是荷葉便有了疏水的性能。水滴在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是荷葉能自潔的奧妙所在。研究表明，這種具有自潔效應(yīng)的表面超微納米結(jié)構(gòu)形貌，不僅存在于荷葉中，也存在于其他植物中，以及某些動物的皮毛中。3.4.2、海洋的真正主人浩瀚的海洋就是一個龐大越微粒的聚集場所。原先認(rèn)為海洋中非生命的亞微米的粒子(0.41.0m)具有很豐富的濃度約為106107/毫升，最近威爾斯等人在南太平洋發(fā)現(xiàn)小于120nm的海洋膠體料子的濃度至少是這種亞微米粒子的3倍。這些納米粒子才是真正的海洋主人，對海洋的運(yùn)動、海洋中的各種生命等有著重要影響。通過對這些納米粒子的研究，可以獲取海洋、生命的起源以及獲取開發(fā)海洋資源的信息。3.4.3、戀家的蜜蜂蜂窩是有許多規(guī)整的六邊形蜂房組成，蜜蜂居住在其中?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，每只蜜蜂都有屬于自己的蜂房。雖然每個蜂房的形狀幾乎完全相同，但蜜蜂相互之間不會“走”錯房間。以前人們認(rèn)為蜜蜂是利用北極光或通過搖擺舞向同伴傳遞信息來辨別方向的。最近，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜜蜂的腹部存在磁性納米粒子，這種磁性顆粒一方面具有指南針功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境在自己頭腦里的圖像并判明方向，為其活動導(dǎo)航；另一方面還具有存儲器的功能，當(dāng)蜜蜂靠近自己的蜂房時它們就把周圍環(huán)境的圖像儲存起來，外出采蜜歸來就啟動這種記憶，實(shí)質(zhì)就是把自己儲存的圖像與所看到的圖像進(jìn)行對比和移動，當(dāng)兩個圖像完全一致時它們就明白自己又回到家了。3.4.4、“橫行”的螃蟹螃蟹以其獨(dú)特的“橫行”方式成為生物界中一道別致的風(fēng)景。生物科學(xué)家最近研究指出，螃蟹原先并不是象現(xiàn)在這樣橫行運(yùn)動，而是像其他生物一樣前后運(yùn)動。這是因?yàn)閮|萬年前的螃蟹第一對蟹螯里有幾顆用于定向的磁性納米微粒，就象是幾只小指南針。螃蟹的祖先靠這種“指南針”堂堂正正地前進(jìn)后退，行走自如。但是，后來由于地殼的劇烈運(yùn)動，地球的磁場發(fā)生多次劇烈的倒轉(zhuǎn)，使螃蟹體內(nèi)的小磁粒失去了原來的定問作用，于是使它失去了前后行動的功能，變成了橫行。3.4.5、全球定位的海龜蜜蜂能夠應(yīng)用磁性納米顆粒為其活動導(dǎo)航只是在一個較小的范圍內(nèi)。而真正利用磁性納米微粒導(dǎo)航，進(jìn)行幾萬公里長途跋涉的是大海龜。美國科學(xué)家一直對東海岸佛羅里達(dá)的海龜進(jìn)行了長期研究發(fā)現(xiàn)了一個十分有趣的現(xiàn)象；這就是海龜通常在佛羅里達(dá)的海邊上產(chǎn)卵，幼小的海龜為了尋找食物通常要到大西洋的另一側(cè)靠近英國的小島附近的海域生活，從佛羅里達(dá)到這個島嶼的海面再回到佛羅里達(dá)來回的路線不一祥，相當(dāng)于繞大西洋一圈，需要56年的時間，這樣準(zhǔn)確無誤地航行靠什么導(dǎo)航？為什么海龜遷移的路線總是順時針的?最近美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)誨龜?shù)念^部有磁性的納米微粒，它們就是憑借這種納米微粒準(zhǔn)確無誤地完成幾萬里的遷移。3.4.6、“頑固”的牙齒人類同大自然相比是相當(dāng)脆弱的，經(jīng)受不起大自然嚴(yán)酷的考驗(yàn)。但是，人類身體的某個部件卻很“頑固”，要破壞它相當(dāng)不容易，這就是人類的牙齒。當(dāng)幾千年前。甚至幾十萬年前祖先的尸骸在我們面前出現(xiàn)時，保存的最為完好的是他們的牙齒。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人類和動物的牙齒是由定向的羥基磷灰石納米纖維與膠質(zhì)基體復(fù)合而成，這種具有納米結(jié)構(gòu)的材料硬度很大，相當(dāng)耐磨，而且極其耐腐蝕。所以，這無疑是上天給人類和動物最好的恩賜。此外，動物的某些骨骼、筋、軟骨、皮以及部分昆蟲的表皮等也都是納米復(fù)合材料。動物的骨頭是由膠質(zhì)的基體與納米或亞微米的羥基磷灰石增強(qiáng)的一種復(fù)合體，膠質(zhì)的基體柔軟，有著良好的韌性長形、片狀粒子致密堆垛羥基磷灰石起著結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用使骨頭既具有剛性又具有良好的韌性。所以，通過對自然界中的納米材料和納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，我們可以得到相當(dāng)大的啟發(fā)。我們能否模仿荷葉表面的結(jié)構(gòu)，制造出應(yīng)用于生活的各種各樣的疏水材料來？我們能否從生物體內(nèi)的納米粒子得到啟發(fā)，為我們設(shè)計納米尺度的新型導(dǎo)航器提供有益依據(jù)？要達(dá)到上述目的，必須要了解納米材料，了解納米材料的獨(dú)特性能。四、納米材料的發(fā)展要了解納米材料，首先應(yīng)從了解納米材料的出現(xiàn)和發(fā)展歷史開始。根據(jù)時間，我們可以將納米材料的發(fā)展大致分為三個階段：孕育萌生階段、探索研究階段和應(yīng)用開發(fā)階段。4.1、孕育萌生階段由前面3.1可知，人類開始制造和使用納米材料應(yīng)該是2000多年前我們中國人開始使用燃燒蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料以及用于作色的染料開始的。1861年，隨著膠體化學(xué)(colloid chemistry)的建立，科學(xué)家們就開始了對于直徑為1100nm的粒子系統(tǒng)進(jìn)行研究，但當(dāng)時的化學(xué)家們并沒有意識到在這樣一個尺寸范圍是人們認(rèn)識世界的一個新的層次而只是從化學(xué)的角度作為宏觀體系的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，由此將人類對納米材料進(jìn)行有意識的研究至少延遲了將近100年。1959年12月29日，著名物理學(xué)家、諾貝爾物理獎(1964年)獲得者Richard.Feynman(理查德.費(fèi)曼)在加州理工學(xué)院發(fā)表了一篇題為“There is a plenty of rooms at the bottoms” (科學(xué)研究還遠(yuǎn)未到盡頭)的演說，思索“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子，將會產(chǎn)生怎樣的奇跡?”，并指出用這種方法制備的材料將具有特殊性能。直到20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們才開始有意識地把納米粒子作為研究對象來探索納米體系的奧秘。1962年，Kubo(久保)對金屬超微粒子的研究，發(fā)現(xiàn)金屬超微粒子與塊體材料的熱性質(zhì)不同，并針對金屬超微粒費(fèi)米面附近的電子能級狀態(tài)分布提出了著名的久保理論，也就是超微顆粒的量子限制理論或量子限域理論，從而推動實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家向納米尺度的微粒進(jìn)行探索。 l963年，R.Voyda及其合作者發(fā)展了所謂的氣體蒸發(fā)法(gas evaporation)或稱od)或稱氣體冷凝法(gas evaporation method)，即通過在純凈的惰性氣體中的蒸發(fā)和冷凝過程獲得較干凈的超微粒，并對單個金屬微粒的形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1970年江琦與朱兆祥考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導(dǎo)體超晶格的概念。這是按照一定的規(guī)則將一定厚度的納米薄層人工堆積起來的結(jié)構(gòu)，隨后利用分子束外延技術(shù)，江琦制備了能隙高低不同的半導(dǎo)體多層膜，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了量子阱和超晶格，觀察到了及其豐富的物理效應(yīng)。從而使量子阱和超晶格的研究成為半導(dǎo)體物理學(xué)最熱門的話題。1974年，日本學(xué)者Taniguchi首次提出了“Nanotechnology”(納米科技)一詞，1981年德國科學(xué)家H.Gleiter提出了“Nanostructure of solids”(固體納米結(jié)構(gòu))的概念，并發(fā)展了具有納米晶粒尺寸和大量界面的各種特殊性能的材料。70年代未80年代初，對納米微粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。描述金屬微粒費(fèi)米面附近電子能級狀態(tài)的久保理論日臻完善在用量子尺寸效應(yīng)解釋超微粒子某些特性方面獲得成功。1981年，美國IBM公司在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G.Binning教授和H.Rohrer博士發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy)，簡稱STM，這使理查德.費(fèi)曼的預(yù)言僅過了12年就成為現(xiàn)實(shí)。STM是目前為止進(jìn)行表面分析的最精密的儀器之一，可以直接觀察到原子。它的橫向分辨率可以達(dá)到0.1nm，縱向分辨率達(dá)到0.01nm，并且還具有操縱原子的功能。這兩位發(fā)明人也因此獲得了1984年諾貝爾物理獎。STM的發(fā)明不僅意味著人們可以直接觀察到原子、分子，而且還能夠利用STM直接操縱和安排原子和分子，這代表著納米科技的誕生，在人類科學(xué)史上是一個巨大的進(jìn)步。4.2、探索研究階段STM的誕生迅速將人類推進(jìn)到納米材料的探索研究階段。STM誕生后不久，美國IBM的兩名科學(xué)家就開始利用STM直接操作原子，在低溫下成功地在(鎳)板上將35個氙(xe)原子按自己的意志安排原子組合成“IBM”宇樣；此后日本的研究室實(shí)現(xiàn)了在室溫下進(jìn)行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“Peace的字樣。最早用納米微粒制備三維塊狀試樣是德國薩爾大學(xué)格萊特教授，他于1984年用惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備了具有清潔界面納米粉體pd、Cu、Fe等，粒徑在6nm左右。隨后用原化加壓成納米固體，并提出納米材料界面結(jié)構(gòu)模型，使納米材料跨入新階段。隨后，他又發(fā)現(xiàn)CaF2納米離子晶體和TiO2納米陶瓷在室溫下表現(xiàn)出良好的韌性。使人們看到了陶瓷增韌的新的戰(zhàn)略途徑。1985年，Kroto(科羅托)和Smalley(斯莫雷)采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團(tuán)簇。質(zhì)潛分析發(fā)現(xiàn)C60和C70的新的譜線，其中C60具有高穩(wěn)定的新奇結(jié)構(gòu)。C60是由60個碳原子構(gòu)成的一個足球式的中空球形分子，它是由32面構(gòu)成，其中20個六邊形和12個五邊形，直徑為0.7nm。C60的發(fā)現(xiàn)大大豐富了人們對碳的認(rèn)識， 成為第三代碳晶體。進(jìn)一步研究指出：C原子的團(tuán)蔟在幻數(shù)(構(gòu)成團(tuán)簇的原子數(shù))為20、24、28、32、36、50、60和70等偶數(shù)時具有高穩(wěn)定性。團(tuán)簇的研究正處于多種學(xué)科交叉的范圍從原子物理、凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、表面科學(xué)、材料科學(xué)甚至核物理學(xué)引入的概念和方法交織在一起，構(gòu)成了當(dāng)今團(tuán)簇物理學(xué)。1987年美國的阿貢實(shí)驗(yàn)室席格爾等人用惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備了金紅石結(jié)構(gòu)的納米氧化鈷陶瓷致密度達(dá)95。與粗晶氧化鈷陶瓷進(jìn)行比較，對應(yīng)同樣燒結(jié)溫度，納米陶瓷硬度均高于常規(guī)陶瓷；對應(yīng)同樣的硬度值納米TiO2燒結(jié)溫度可降低幾百度，這充分顯示了納米陶瓷的優(yōu)越性。1990年7月在美國巴爾的摩召開了國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個新的分支公布于世，正式提出納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)和納米機(jī)械學(xué)的概念，這標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個相對比較獨(dú)立學(xué)科的誕生。中國科學(xué)院固體物理所在1990年召開首次納米固體討論會。此后，納米科學(xué)技術(shù)成為世界各國的研究熱點(diǎn)，納米材料引起了世界各國材料界和物理界的極大興趣和廣泛重視，國際交流活動頻繁，基礎(chǔ)相應(yīng)用研究領(lǐng)域不斷拓寬，很快形成了世界性的“納米熱氣”。同年，發(fā)現(xiàn)納米顆粒硅和多孔硅在室溫下的光致可見光發(fā)光現(xiàn)象。1991年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室的一個研究組提交了一篇理論性文章，預(yù)計了一種碳納米管的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)時認(rèn)為近期內(nèi)不可能合成，因而文章未予以發(fā)表。但在同年1 月, 日本筑波NEC 實(shí)驗(yàn)室的Ijima(飯島澄男)用高分辨電鏡就觀察到碳納米管, 這些碳納米管為多層同軸管, 也叫巴基管(Bucky tube)。與此同時，莫斯科化學(xué)物理研究所的研究人員也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了碳納米管和納米管束。單壁碳納米管是由美國IBM公司實(shí)驗(yàn)室的Bethume(伯森)等人發(fā)現(xiàn)的。每個單壁管側(cè)面由碳原子六變形組成，長度一般為幾十納米至微米級，兩端由碳原子的五邊形封頂。單壁碳納米管可能存在三種類型的結(jié)構(gòu)，分別為單臂納米管、鋸齒形納米管和手性納米管。多層碳納米管一般是由幾個到幾十個單壁碳納米管同軸組成，管間距在0.34nm左右。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的碳的同素異構(gòu)體金剛石結(jié)構(gòu)和石墨層狀結(jié)構(gòu)完全不向，而且物理性質(zhì)也很奇特：1)純C60固體是絕緣體，用堿金屆摻雜之后就成為具有金屬性的導(dǎo)體，適當(dāng)?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導(dǎo)體。同時，C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性。2)碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，這是由于電子的量子限域所致，電子只能在單層石墨片中沿納米管的軸向運(yùn)動，徑向運(yùn)動受到限制。經(jīng)計算表明，有1/3的小直徑碳納米管具有金屬性質(zhì)，而其余的具有半導(dǎo)體性質(zhì)。這種獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)取決于納米管的直徑以及其他因素。此外，碳納米管的電導(dǎo)高于Cu，在低溫下，電導(dǎo)隨外加磁場的變化出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。3)碳納米管不僅具有良好的導(dǎo)電性能, 還是目前最好的導(dǎo)熱材料，同時，碳納米管活性很高，普通的閃光就能使其燃燒。4)納米碳管具有十分優(yōu)良的力學(xué)性能。碳納米管的質(zhì)量只有相同體積鋼的六分之一, 但其抗張強(qiáng)度卻比鋼高100倍，比鈦高10倍；由碳納米管懸臂粱振動測量結(jié)果，估計碳納米管的楊氏模量高達(dá)1012Pa左右；延伸率達(dá)百分之幾，并具有好的可彎曲性；單臂納米碳管可承受熱轉(zhuǎn)形變并可彎成小圓環(huán)，應(yīng)力卸除后可完全恢復(fù)到原來狀態(tài)；壓力不會導(dǎo)致碳納米管的斷裂。由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，碳納米管存在巨大應(yīng)用前景。1)納米尺度電子元件可在兩個共軸納米管或納米管結(jié)的基礎(chǔ)上來制造設(shè)計，并且這種元件同時具有金屬和半導(dǎo)體性質(zhì)。而碳納米管與金屬形成隧道結(jié)還可用作隧道二極管。2)納米碳管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能將使它成為今后計算機(jī)芯片的熱點(diǎn), 也可用于發(fā)動機(jī)、火箭等的各種高溫部件的防護(hù)材料。3)碳納米管可用于電子探針或顯示的針尖及場發(fā)射。碳納米管與其他材料形成的復(fù)合材料電導(dǎo)大大增強(qiáng)，噴在表面可做導(dǎo)電漆或涂層。它也可作為晶體管的發(fā)射極。4)碳納米管優(yōu)異的力學(xué)性能可使它們用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑，用做復(fù)合材料、防磨涂料、潤滑劑、液體表而保護(hù)劑等。如果摻入樹膠，這種納米管可在分子等級上與樹膠混合形成高強(qiáng)度樹膠，用于制作小型精密機(jī)械用樹膠齒輪，也可用于制作不易破損的輕型透明樹膠基片。由于碳納米管強(qiáng)度高、重量輕，最有前途的用途莫過于將碳納米管做成太空升降機(jī)的纜繩。這是因?yàn)槔|繩的長度是從太空下垂到地面的距離，目前世界上除了碳納米管，沒有任何材料能夠支撐這種長度纜繩自身的重量。到那個時候，人類到外太空旅行將是一件輕而易舉的事情5)碳納米管中空結(jié)構(gòu)也具有很大的用途。碳納米管可用作模板，合成納米尺度的復(fù)合物，制備出納米棒和納米絲(長度小于lm的納米絲稱為納米棒，長度大于lm的稱為納米絲或線)。制備納米絲和棒的典型方法之一是將納米碳管在空氣中加熱至700，使其頂部封口由于氧化而被破壞，形成開口的管子，將低熔點(diǎn)金屬(如Pb)用電子束蒸發(fā)后凝聚于開口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬熔體進(jìn)入中空的芯部，從而形成納米絲。如低表面張力的液態(tài)S、Cs、Se、PbO、Bi2O3等可進(jìn)入碳納米管的空腔內(nèi)形成復(fù)合纖維；通過金屬熔體壓入孔中或金屬硝酸鹽進(jìn)入孔后經(jīng)還原處理可得到碳納米管與金屬絲的復(fù)合絲；碳納米管與氧化物或碘化物一起焙燒可獲得納米尺度的碳化物絲，如TiC、NbC等。6)碳納米管的空腔可以充當(dāng)微型試管、模具等。將第二種物質(zhì)封存在這個約束空間還會誘導(dǎo)其具備在宏觀材料中看不到的結(jié)構(gòu)和行為。如計算機(jī)模擬顯示,封存在碳納米管中的水能夠以新的冰相存在。而且在合適的條件下，碳納米管中液相和固相的明顯界線將會消失，液體物質(zhì)將會連續(xù)地轉(zhuǎn)變成固體，不發(fā)生明顯的凝固過程，有可能得到一種新的改性材料。7)碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)在燃料電池和化工催化上也有很大用途。如碳納米管的空腔是很好的貯氫場所。碳納米管具有很大的比表面積，由其形成的有序納米孔洞厚膜不但能用于鋰離子電池，而且在此厚膜孔內(nèi)填充電催化的金屬或合金后可用來電催化O2分解和甲醇的氧化。8) 碳納米管甚至可以用來制作納米齒輪，為制備納米機(jī)械打下基礎(chǔ)。應(yīng)當(dāng)指出，目前人們已經(jīng)合成出了其他材料的納米管，如WS2、MoS2、BN、TiO2、NiCl2、類酯體、肽以及已經(jīng)定向排列的氮化碳納米管等，納米管的出現(xiàn)豐富了納米材料研究的內(nèi)涵，為合成組裝納米材料提供了新的發(fā)展和機(jī)遇。1991年IBM的專家OEigIer進(jìn)一步利用STM能快速重復(fù)地在Ni表面同一位置上“拾”起或“放”下一個氙原子的功能，原則上創(chuàng)造了速度為二百億分之一秒一個單原子的雙級開關(guān)裝置。這為原子級的計算機(jī)開關(guān)器件的誕生。專家們預(yù)計，達(dá)一突破性的納米新科技研究工作將可能使美國國會圖書館的全部藏書存儲在一個直徑為0.3m的硅片上中國科學(xué)院于1991年召開了我國首次“納米科技發(fā)展戰(zhàn)略研討會”。會上，中國科學(xué)院上海原子核研究所的青年學(xué)術(shù)小組作了“面向21世紀(jì)的高新科技納米科學(xué)技術(shù)”的主題報告。當(dāng)時對納米材料，國家科技部已經(jīng)安排了基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目，開展了研究，但對納米科技的整體研究尚未安排國家級的計劃。所以，在某種意義上說，該次會議標(biāo)志著我國真正啟動了納米科技研究。中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員于1993年底至1994年初，用STM在Si重構(gòu)表面上開展了原子操縱的研究，通過針尖與樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成一定規(guī)則的圖形，形成“中國”等字樣。中科院化學(xué)所用掃描隧道顯微鏡在石墨晶體表面刻寫的中國地圖，線條寬度為納米級。這些技術(shù)的突破是我國納米科技的重大進(jìn)展，在高密度信息儲存、納米電子器件、量子器件、新型材料的組成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。同時也標(biāo)志我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。4.3、應(yīng)用開發(fā)階段1994年在美國波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程。它是在納米材料研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行納米合成、納米添加發(fā)展新型材料，并對傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，擴(kuò)大納米材料的應(yīng)用范圍，形成基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究并行發(fā)展的新局面。隨后，綱米材料及其技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化步伐加快，市場不斷擴(kuò)大，世界競爭態(tài)勢逐漸形成。如果說第一階段和第二階段研究在某種程度上帶有一定的隨機(jī)性，那么這一階段的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)按人們的意愿設(shè)計、組裝和創(chuàng)造新的體系，更有目的地使該體系具有人們所希望的特性。人們開始關(guān)注納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇，納米絲、納米棒、納米管、納米電纜和納米組裝體系(以納米顆粒或納米絲、納米管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系、介孔組裝體系、有序陣列等)。此外，國際上還把1-100nm的技術(shù)加工的公差作為納米技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。 1996 年, 中國科技大學(xué)謝毅博士利用苯熱合成法制備出平均粒度為30nm 的氮化鎵粉體。1997 年, 清華大學(xué)范守善教授制備出直徑為350 納米、長度達(dá)微米量級的氮化鎵納米棒, 首次把氮化鎵制備成一維納米晶體, 提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。1999 年, 他與美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作, 實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。1997 年, 美國紐約大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，DNA (脫氧核糖核酸)可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置，這是繼碳納米管后又一可制作納米機(jī)械的材料。1998 年, 中國科技大學(xué)錢逸泰院士的研究組用催化熱解法, 從四氯化碳制備出金剛石納米粉, 被國際刊物譽(yù)為“稻草變黃金”。1999 年, 北京大學(xué)電子系薛增泉教授的研究組在將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面, 組裝出性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。同年，中科院金屬研究所成會明等在單壁碳納米管的大量合成與結(jié)構(gòu)、性能表征方面，得到了高度取向長達(dá)30nm的單壁碳納米管帶和繩，發(fā)現(xiàn)具有高達(dá)4儲氫量的特性，使我國新型儲氫材料研究躍上世界先進(jìn)水平。1999 年巴西和美國科學(xué)家用碳納米管制備了世界上最小的“秤”。具體操作是先將電流通人碳納米管，再觀測碳納米管的振動頻率，由此計算出碳管的強(qiáng)度和柔韌性。后來，他們將一個納米顆粒放在碳納米管的一個頂端，再重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，由于重量發(fā)生了變化，使得碳納米管的振動頻率也隨之發(fā)生了相應(yīng)的變化。所以，用這種方法就可以測算出納米顆粒的重量。這在當(dāng)年被稱為是世界上最小的“納米秤”，能夠稱量十億分之一克的重量，即相當(dāng)于一個病毒的重量。這在醫(yī)學(xué)免疫上很重要，因?yàn)槔眠@種“納米秤”，人們能夠稱不同種類病毒的重量，由此可以鑒別或發(fā)現(xiàn)新的病毒。這一最小秤的世界記錄很快被德國科學(xué)家打破，后者研制出可以稱出單個原子重量的納米秤。同年, 美國科學(xué)家在單個分子上實(shí)現(xiàn)有機(jī)開關(guān), 證實(shí)在分子水平上可以發(fā)展電子和計算裝置。2000年, 美國朗訊公司和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家用DNA的堿基配對機(jī)制制造出了一種每條臂長只有7 納米的納米級鑷子。2000年，中科院沈陽金屬所的盧柯小組在納米材料及相關(guān)亞穩(wěn)材料領(lǐng)域取得了突出的成績。他發(fā)展的利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當(dāng)前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。而且他們還發(fā)現(xiàn)納米銅的室溫超塑延展性，獲得納米金屬銅室溫壓延伸率高達(dá)5000的超塑性現(xiàn)象，展示無空隙納米材料的變形機(jī)制。2001年初, 中國科技大學(xué)朱清時院士的研究組首次直接拍攝到能夠分辨出化學(xué)鍵的C60 單分子圖像, 這種單分子直接成像技術(shù)為解析分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了有效的手段, 使科學(xué)家可以人工“切割”和重新“組裝”化學(xué)鍵, 為設(shè)計和制備單分子級的納米器件奠定了基礎(chǔ)。侯建國教授等發(fā)現(xiàn)二維C60點(diǎn)陣的一種新型取向疇結(jié)構(gòu)，并獲得C60金屬納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，制備出C60單分子負(fù)微分電阻器件。錢逸泰教授用溶劑熱合成制備出低溫下苯熱合成納米氮化鎵，觀察到在高壓下才能出現(xiàn)的亞穩(wěn)立方巖鹽相。2001年3月, 美國佐治亞理工學(xué)院留美中國學(xué)者王中林教授的研究組利用高溫固體氣相法, 在世界上首次合成了獨(dú)特形態(tài)且無缺陷的半導(dǎo)體氧化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼納米管、納米線之后納米家族增加的新的成員。它有望解決納米管在大規(guī)模生產(chǎn)時穩(wěn)定性的問題, 并在納米物理研究和納米器件應(yīng)用上有重要的作用。2001年6 月, 香港科技大學(xué)沈平教授的研究組在單根純碳納米碳管中觀察到超導(dǎo)特性。這一觀察表明, 當(dāng)納米碳管細(xì)到一定程度時, 其材料性質(zhì)將發(fā)生突變。從應(yīng)用上來講, 納米碳管超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn), 將有助解決電子在集成半導(dǎo)體器件中傳輸時的發(fā)熱問題。2001 年7 月, 荷蘭研究人員制造出在室溫下能有效工作的單電子納米碳管晶體管。這種晶體管以納米碳管為基礎(chǔ), 依靠一個電子來決定“開”和“關(guān)”狀態(tài), 由于它低耗能的特點(diǎn), 將成為分子計算機(jī)的理想材料。目前，日本科學(xué)家己成功地將硅原子組成個“金字塔”，首次實(shí)現(xiàn)原子三維空間立體搬遷。正如美國IBM公司首席科學(xué)家Amstrong (阿姆斯特朗)說；“正像70年代微電子技術(shù)產(chǎn)生了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀(jì)信息時代的核心”。著名科學(xué)家錢學(xué)森也預(yù)言“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點(diǎn)，將是21世紀(jì)的又次產(chǎn)業(yè)革命?！彪m然納米新技術(shù)目前正處于基礎(chǔ)研究階段，但可以確信的是，納米科技必將成為21世紀(jì)科學(xué)的前沿和主導(dǎo)。五、納米材料的特殊效應(yīng)納米科技之所以能蓬勃發(fā)展，完全是因?yàn)榧{米材料具有傳統(tǒng)材料所不具有的特殊性能，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料在力、熱、磁、光等方面的特性是由納米材料所具備的特殊效應(yīng)(小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng))決定的。5.1、小尺寸效應(yīng)納米微粒物性的個最大特點(diǎn)是物理性能與顆粒尺寸具有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。對同一種納米材料當(dāng)顆粒達(dá)到納米級，電阻、電阻溫度系數(shù)都發(fā)生變化。銀是優(yōu)異的導(dǎo)體，而10-15nm的銀微粒電阻突然升高，失去金屬特征而成為半導(dǎo)體；典型的共價鍵結(jié)構(gòu)的氮化硅。二氧化硅等，當(dāng)尺寸達(dá)到15-20nm時電阻卻大大下降。所以，當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞；納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致材料的聲、光、電、磁、熱力學(xué)等物性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)：光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變，正常相向超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變。納米尺度的強(qiáng)磁性顆粒(Fe-Co合金，氧化鐵等)，當(dāng)顆粒尺寸為單磁疇臨界尺小時，具有其高的矯頑力，例如-Fe、Fe3O4和Fe2O3粒徑分別在5nm、16nm、和20nm時變成超順磁體。例如，常規(guī)的Fe塊體嬌頑力通常低于12.6A/m，呈現(xiàn)軟磁性；粒徑為16nm的鐵微粒，矯頑力在5.5K時達(dá)127kA/m，室溫下鐵微粒的矯頑力仍保持80kA/m，呈現(xiàn)出永磁性；粒徑達(dá)到5nm時，由于顆粒的直徑達(dá)到納米尺度以下的臨界尺寸，材料中就不存在疇結(jié)構(gòu)，顆粒由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾判?，矯頑力趨近0，呈現(xiàn)超順磁性。粒徑為85nm的納米鎳微粒，矯頑力很高，表明處于單疇狀態(tài)；較徑小于15nm的鎳微粒，矯頑力趨近0，這說明它們進(jìn)入了超順磁狀態(tài)。由此可將超過臨界尺寸的納米李子應(yīng)用于磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等，還可以制成磁性液體，廣泛地用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、選礦等領(lǐng)域。超順磁狀態(tài)的起源可歸為：在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動能可相比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，磁化方向構(gòu)呈現(xiàn)超起伏，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。一般PbTiO3、BaTiO3、SrTiO3等是典型鐵電體，但當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級就會變成順電體；金屬納米材料的電阻隨尺寸下降而增大，電阻溫度系數(shù)的下降甚至變成負(fù)值。小尺寸效應(yīng)對陶瓷的韌化十分重要。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，如納米碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，這是由于納米超微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂。原于在外力變形條件下自己容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展件，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性能。這就是目前的一些展銷會上推出的所謂“摔不碎的陶瓷碗”。這正是納米固體具有優(yōu)越特性的體現(xiàn)從而向人們展示一條發(fā)展新材料和傳統(tǒng)材料改性的新途徑。通過納米微粒合成的塊體，使原來具有良好韌性和延展性的金屬可以大大提高強(qiáng)度，如納米Cu或Pd的塊體材料的硬度比常規(guī)材料提高50倍，屈服強(qiáng)度提高12倍。利用等離子共振頻率隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，可用于電磁波腫蔽、隱形飛機(jī)等。這將在后面納米材料的應(yīng)用中詳細(xì)介紹。5.2、表面效應(yīng)納米微粒表面原子數(shù)隨納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，并具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定。所以，具有很高的化學(xué)活性。例如，粒徑為10nm時，比表面積為90m2/g；牧徑為5nm時，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm，比表而積猛增到450m2/g；當(dāng)顆粒的直徑達(dá)到1nm時，表面的原子數(shù)可以達(dá)到99%。納米固體的基本構(gòu)成是納米微粒以及它們之間的界面。由于納米粒子尺寸小，界面所占的體積百分?jǐn)?shù)幾乎可與納米微軟所占的體積分?jǐn)?shù)相比擬。當(dāng)粒徑d5nm時界面體積為50，因此納米材料的界面不能簡單地看成是一種缺陷，它已成為納米團(tuán)體基本構(gòu)成之，對其性能的影響起著舉足輕重的作用納米微粒的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀金屬，這是因?yàn)榧{米微粒表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不傘，活性大以及納米微粒體積遠(yuǎn)小于大塊材料因此納米料子熔化時所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。例如塊狀金為1337K，而2nm的金顆粒熔點(diǎn)為600K，隨粒徑增加，熔點(diǎn)迅速上升；大塊鉛的熔點(diǎn)為600K，而20nm球形鉛微粒熔點(diǎn)低于288K；常規(guī)銀的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于1173K納米銀微粒在低于373K開始熔化。龐大的比表面，使處于表面的原子數(shù)增多，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，出現(xiàn)許多活性中心，表現(xiàn)出非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)價，使這些表面原子具有高的活性、極小穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。這就是導(dǎo)致納米體系的化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)平衡體系出現(xiàn)很大差別的原因。納米微粒的低熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多，所以納米顆粒的小尺寸效應(yīng)為粉末冶金業(yè)提供了斯工藝。在燒結(jié)過程中，由于納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊后的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界間能成為原子運(yùn)動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的，即燒結(jié)溫度降低。例如，常規(guī)氧化鋁燒結(jié)溫度在1973K-2073K，加納米氧化鋁可在1423K至1673K燒結(jié)，致密度可達(dá)99.0以上。常規(guī)氮化硅炔結(jié)溫度高于2073K。納米氮化硅燒結(jié)溫度可降低300400K。納米氧化鈦存1273K加熱呈現(xiàn)出明顯的致密化，晶粒僅有微小增加，在比大晶粒樣品低873K的下燒結(jié)濕度就能達(dá)到類似硬度。納米微粒對提高催化反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究是未來催化科學(xué)的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上帶來革命性的變革。粒徑為30nm的鎳可把有機(jī)化學(xué)加氫和脫氫反應(yīng)速度提高15倍；在環(huán)二烯的加氫反應(yīng)中，納米微粒做催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高1015倍；在甲醛的氫化反應(yīng)生成甲醇的反應(yīng)中。以氧化鉆、氧化硅、氧化鎳加上納米微粒鎳等，反應(yīng)速度大大提高，如果氧化等粒徑達(dá)到納米級，其選擇性可提高5倍。液體燃料一直是人們研究的重要議題，通過光催化從水、二氧化碳和氮中提取有用物質(zhì)，化學(xué)惰性的金屬鉑的顆粒尺寸達(dá)到納米級后，表面活性大幅增加，成為活性極好的催化劑。最近日本利用納米鉑作為催化劑放在氧化鉆的載體上，在加入甲醇的水溶液中邊過光照射成功地制取氫，產(chǎn)出率比原來提高幾十倍。無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，