納米物理基本概念與納米材料

納米物理基本概念與納米材料一、納米材料的基本概念從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。1.1納米材料廣義地講，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或由它們作為基本單元構(gòu)成的具有特殊性能的材料。納米材料的分類(lèi)?如果按維數(shù)，納米材料可以分為以下三類(lèi)：?（1）零維：指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等。?（2）—維：指在空間中有二維尺度處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。?（3）二維：指在空間中有一維處于納米尺度，如超薄膜等。如果按形狀，納米材料可以分為?（4）納米顆粒和粉體、納米管、納米線、納米帶、納米片、納米薄膜、介孔材料納米棒、納米絲與納米線：1.2納米材料的基本單元?團(tuán)簇（clusters）?納米粒子（nanoparticle）?一維納米材料（1D）?量子阱、量子線、量子點(diǎn)?納米孔洞1.3納米粒子納米粒子（納米顆粒、納米微粒、超微粒子、納米粉）：一般指顆粒尺寸在1—100nm之間的粒狀物質(zhì)。它的尺度大于原子簇，小于通常的微粉。早期稱(chēng)作超微粒子。納米顆粒是肉眼和一般的光學(xué)顯微鏡看不見(jiàn)的微小粒子。名古屋大學(xué)的上田良二（R.Uyeda）給納米顆粒的定義是：用電子顯微鏡才能看到的顆粒稱(chēng)為納米顆粒。納米顆粒所含原子數(shù)范圍在103—107個(gè)（1—100nm）。其比表面比塊體材料大得多，加之所含原子數(shù)很少，通常具有量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，因而展現(xiàn)出許多特異的性質(zhì)。1.4一維納米材料（納米管、納米線（絲）、納米棒）：指在兩維方向上為納米尺度，長(zhǎng)度比其它兩維方向的尺度大得多，甚至為宏觀量（如毫米、厘米級(jí)）的納米材料。根據(jù)具體形狀分為管、棒、線、絲等。通?？v橫比小的稱(chēng)為納米棒，縱橫比大的稱(chēng)為納米絲或納米線。1.5量子阱、量子線、量子點(diǎn)若要嚴(yán)格定義量子點(diǎn)，則必須由量子力學(xué)（quantummechanics）出發(fā)。我們知道電子具有粒子性與波動(dòng)性，電子的物質(zhì)波特性取決于其費(fèi)米波長(zhǎng)（Fermiwavelength）.在一般塊材中，電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于塊材尺寸，因此量子限域效應(yīng)不顯著。如果將某一個(gè)維度的尺寸縮到小於一個(gè)波長(zhǎng)（如圖一所示），此時(shí)電子只能在另外兩個(gè)維度所構(gòu)成的二維空間中自由運(yùn)動(dòng)，這樣的系統(tǒng)我們稱(chēng)為量子阱（quantumwell）；如果我們?cè)賹⒘硪粋€(gè)維度的尺寸縮到小於一個(gè)波長(zhǎng)，則電子只能在一維方向上運(yùn)動(dòng)，我們稱(chēng)為量子線（quantumwire）；當(dāng)三個(gè)維度的尺寸都縮小到一個(gè)波長(zhǎng)以下時(shí)，就成為量子點(diǎn)了。由此可知，并非小到100nm以下的材料就是量子點(diǎn)，真正的關(guān)鍵尺寸是由電子在材料內(nèi)的費(fèi)米波長(zhǎng)來(lái)決定。一般而言，電子費(fèi)米波長(zhǎng)在半導(dǎo)體內(nèi)較在金屬內(nèi)長(zhǎng)得多，例如在半導(dǎo)體材料砷化鎵GaAs（100）中，費(fèi)米波長(zhǎng)約40nm,在鋁金屬中卻只有0.36nm。量子阱---指載流子在兩個(gè)方向（如在X,Y平面內(nèi)）上可以自由運(yùn)動(dòng)，而在另外一個(gè)方向（Z）則受到約束，即材料在這個(gè)方向上的特征尺寸與電子的德布羅意波長(zhǎng)（入d=h/（2mE）i/2）或電子的平均自由程（L2DEG=hu/q?（2nns）i/2）相比擬或更小。有時(shí)也稱(chēng)為二維超晶格。量子線---是指載流子僅在一個(gè)方向上可以自由運(yùn)動(dòng)，而在另外兩個(gè)方向上則受到約束。也叫一維量子線。量子點(diǎn)---是指載流子在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)都要受到約束的材料體系，即電子在三個(gè)維度上的能量都是量子化的。也叫零維量子點(diǎn)。1.6納米材料研究的三個(gè)階段從研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段：?第一階段（1990年以前）主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體（包括薄膜），研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對(duì)納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類(lèi)納米材料稱(chēng)納米晶或納米相材料。?第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。?第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。二、納米材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)直徑為1?100nm的粒子體系的研究工作。真正有意識(shí)的研究納米粒子可追溯到20世紀(jì)30年代的日本的為了軍事需要而開(kāi)展的“沉煙試驗(yàn)”，但受到當(dāng)時(shí)試驗(yàn)水平和條件限制，雖用真空蒸發(fā)法制成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩(wěn)定。到了20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒，并對(duì)其進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)（SaarlandUniversity）的Gleiter以及美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。1990年7月在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科技技術(shù)會(huì)議（InternationalConferenceonNanoscience&Technology），正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。自20世紀(jì)70年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái)，從研究?jī)?nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段：第一階段（1990年以前）：主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這種材料稱(chēng)為納米晶或納米相材料。第二階段（1990?1994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上把這類(lèi)材料稱(chēng)為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、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。三、納米材料的應(yīng)用3.1、 天然納米材料海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國(guó)附近的海域，才能得以生存和長(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來(lái)回約需5?6年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬(wàn)千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)航。生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來(lái)不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。3.2、 納米磁性材料在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比Y-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。3.3、 納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。3.4、 納米傳感器納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車(chē)尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車(chē)尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類(lèi)陶瓷傳感器高得多。3.5、 納米傾斜功能材料在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。3.6、 納米半導(dǎo)體材料將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。3.7、 納米催化材料納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600°C降低到室溫。3.8、 醫(yī)療上的應(yīng)用血液中紅血球的大小為6000?9000nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。3.9、 納米計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年，它是由美國(guó)的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的，一共用了18000個(gè)電子管，總重量30t，占地面積約170m，可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1s內(nèi)只能完成5000次運(yùn)算。經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬(wàn)分之一，但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一代電子計(jì)算機(jī)。如果采用納米技術(shù)來(lái)構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來(lái)的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”，其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來(lái)十分可觀的效益。以從閱讀硬盤(pán)上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。3.10、 納米碳管1991年，日本電氣公司的專(zhuān)家制備出了一種稱(chēng)為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖所示。這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱(chēng)為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。在空氣中將納米碳管加熱到700C左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開(kāi)口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開(kāi)口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進(jìn)入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì)，被稱(chēng)為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導(dǎo)體。納米技術(shù)在世界各國(guó)尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國(guó)家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國(guó)已努力趕上先進(jìn)國(guó)家水平，研究隊(duì)伍也在日漸壯大。

3.11、 家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。3.12、 環(huán)境保護(hù)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。3.13、 紡織工業(yè)在合成纖維樹(shù)脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿(mǎn)足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。3.14、 機(jī)械工業(yè)采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。四、納米材料的重要性的原因4.1小尺寸效應(yīng)：納米微粒尺寸相當(dāng)或小于光波波長(zhǎng)、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸時(shí)，表現(xiàn)出新的光、電、聲、磁、熱力學(xué)等效應(yīng)。原因：晶體周期性邊界條件被破壞，材料表層附近原子密度減小所致。4.2高表面效應(yīng)：納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑減小而急劇增大。由于表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易于其它原子結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，從而具有很高的化學(xué)活性。引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化；納米微粒表面原子輸送和構(gòu)型的變化。4.3體積效應(yīng)：由于納米粒子的體積極小，許多現(xiàn)象不能用有無(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明，即稱(chēng)為體積效應(yīng)。久保（Kubo）理論把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡(jiǎn)并電子態(tài)，假設(shè)它們的能級(jí)為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級(jí)，并認(rèn)為相鄰電子能級(jí)間距6和粒徑d存在以下關(guān)系：4E34E3飛8V-181/d3宏觀物體Nf*；納米材料，N較少.式中N為一個(gè)金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)；V為納米粒子的體積；EF為費(fèi)米能級(jí)。隨著粒徑減小，能級(jí)間隔增大，電子移動(dòng)困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將因此而變成絕緣體。4.4量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)能級(jí)間距6大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，必須考慮量子效應(yīng)。即導(dǎo)致納米微粒的磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性與宏觀特性的顯著不同，即稱(chēng)量子尺寸效應(yīng)。例如，顆粒的磁化率、比熱容與所含電子的奇、偶數(shù)有關(guān)，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生光譜線的頻移，介電常數(shù)變化，催化性質(zhì)不同4.5宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，稱(chēng)為宏觀的量子隧道效應(yīng)。4.6介電限域效應(yīng)：當(dāng)納米材料被空氣、聚合物、玻璃或溶劑等介質(zhì)包圍，由于介質(zhì)與納米材料折射率差異（通常是介質(zhì)的折射率低于納米材料），導(dǎo)致電磁波（如陽(yáng)光）照射時(shí)產(chǎn)生界面，在納米材料粒子表面、甚至內(nèi)部局域場(chǎng)強(qiáng)比輻射電磁波的強(qiáng)度增大的效應(yīng)。介電限域效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理：由于納米材料中電子的平均自由程被局限于很小的范圍，與電子分離的空穴很容易形成激子，引起電子和空穴的波函數(shù)重疊，產(chǎn)生激子吸收帶，引起激子的振子強(qiáng)度和吸收系數(shù)增加。4.7庫(kù)侖堵塞效應(yīng)：庫(kù)侖堵塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代介觀領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一，涉及單電子的輸運(yùn)行為。當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米級(jí)（一般金屬粒子為幾個(gè)納米，半導(dǎo)體粒子為幾十納米），體系是電荷“量子化”的，即充電和放電過(guò)程是不連續(xù)的，把這個(gè)能量稱(chēng)為庫(kù)侖堵塞能，是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫(kù)侖排斥能，這就導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過(guò)程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子的傳輸。通常把小體系這種單電子輸運(yùn)行為稱(chēng)庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。利用此原理可制成室溫下工作、微小的場(chǎng)效應(yīng)三極管。五、納米材料可能的問(wèn)題近年來(lái)，由于納米技術(shù)和納米材料所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外的研究和相關(guān)投資都極為可觀。研究領(lǐng)域迅速拓寬，內(nèi)涵不斷發(fā)展。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各種納米材料大量涌現(xiàn)，其優(yōu)良特性及新奇功能使其具有廣泛的應(yīng)用前景，人們接觸納米材料的機(jī)會(huì)也隨之迅速增多。然而，任何一項(xiàng)新的技術(shù)都會(huì)帶有“雙刃劍”的兩面性，存在其風(fēng)險(xiǎn)性，這是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展使人類(lèi)得到的經(jīng)驗(yàn)和共識(shí)，納米科學(xué)技術(shù)也不例外。5.1納米材料的生物安全性納米技術(shù)的生物安全性問(wèn)題是不容忽視的，即納米技術(shù)的發(fā)展是否也將帶來(lái)納米物質(zhì)對(duì)人體以及生態(tài)環(huán)境的污染，從而危及人類(lèi)健康，同時(shí)，認(rèn)識(shí)和解決這一問(wèn)題，也是促進(jìn)和保障納米科技健康和可持續(xù)發(fā)展的必要條件。我們知道，當(dāng)物質(zhì)細(xì)分到納米尺度時(shí)，納米顆粒在理化性質(zhì)是那個(gè)發(fā)生巨大的變化，其生物學(xué)效應(yīng)也出現(xiàn)了顯著的改變，由于體積太小、個(gè)體穩(wěn)定性太強(qiáng)等特點(diǎn)，“納米材料可能具有一定的毒性，有可能進(jìn)入人體中那些大顆粒所不能到達(dá)的區(qū)域，如健康細(xì)胞，納米物質(zhì)可能比較容易透過(guò)生物膜上的孔隙進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)或如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、溶酶體和細(xì)胞核等細(xì)胞器內(nèi)，并且和生物大分子發(fā)生結(jié)合或催化化學(xué)反應(yīng)，使生物大分子和生物膜的正常立體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生改變，其結(jié)果可能將導(dǎo)致體內(nèi)一些激素和重要酶系的活性喪失。如樹(shù)脂狀納米物質(zhì)可能會(huì)造成滲透性破壞，甚至導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂；水溶性富勒烯分子可能會(huì)進(jìn)入大腦，造成黑鱸魚(yú)大腦損傷等。目前國(guó)內(nèi)外一些初步的研究表明：正常無(wú)害的微米物質(zhì)一旦細(xì)分成納米級(jí)的超細(xì)微粒后就出現(xiàn)潛在毒性，且顆粒愈小表面積活性越大、生物反應(yīng)性愈大。因此，對(duì)于納米材料的安全性評(píng)價(jià)逐漸被認(rèn)識(shí)和重視。一、納米材料對(duì)人體的潛在影響包括以下幾個(gè)方面：5.1.1納米材料進(jìn)入人機(jī)體的概率增加納米材料微小，有可能進(jìn)入人體中納米大顆粒不能達(dá)到的區(qū)域，如健康細(xì)胞，納米材料能夠通過(guò)呼吸道、皮膚、消化道及注射等多種途徑迅速進(jìn)入人體內(nèi)部，其中經(jīng)呼吸道是一個(gè)主要途徑，并易通過(guò)血、腦、胚胎等生物屏障分布到全身各組織之中，往往比相同劑量、相同組分的微米級(jí)顆粒物更易導(dǎo)致肺部炎癥和氧化損傷。5.1.2納米材料進(jìn)入細(xì)胞的概率增加由于粒徑極小，表面結(jié)合力和化學(xué)活性顯著增高。其組成雖未發(fā)生變化，但對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的生物效應(yīng)的性質(zhì)和強(qiáng)度可能已發(fā)生改變?？赡芡高^(guò)生物膜上的孔隙進(jìn)入細(xì)胞及細(xì)胞器內(nèi)，與細(xì)胞內(nèi)生物大分子發(fā)生結(jié)合，使生物大分子和生物膜的正?？臻g結(jié)構(gòu)改變。導(dǎo)致體內(nèi)一些激素和重要酶系活性喪失;或使遺傳物質(zhì)突變，導(dǎo)致腫瘤發(fā)病率升高或促進(jìn)老化過(guò)程。5.1.3納米材料通過(guò)血腦屏障和血睪屏障的概率增加可能透過(guò)血腦屏障和