納米科學與納米材料

納米材料復習大綱I綜述部分納米科技：納米科學（nanoscience）、納米技術（狹義的nanotechnology）以及納米工程（nanoengineering）的統(tǒng)稱，是研究、開發(fā)、利用納米尺度物質的一門新型的應用型學科，具有多學科交叉的特征。（1） 納米科學：探索與發(fā)現(xiàn)物質在納米尺度上所表現(xiàn)出來的各種物理、化學與生物學現(xiàn)象及其內在規(guī)律，尤其是原子、分子以及電子在納米尺度范圍的運動規(guī)律，為納米科技產(chǎn)品的研發(fā)提供理論指導。（2） 納米技術：主要包括納米尺度物質的制備、復合、加工、組裝以及測試與表征，實現(xiàn)納米材料、納米器件與納米系統(tǒng)在原子、分子尺度上的可控制備，為納米科技的應用奠定基礎。（3） 納米工程：包括納米材料、納米器件、納米系統(tǒng)以及納米技術設備等納米科技產(chǎn)品的設計、工藝、制造、裝配、修飾、控制、操縱與應用，推動納米科技產(chǎn)品走向市場、有效地服務于經(jīng)濟社會。納米材料的定義及分類任何至少有一個維度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本單元組成的材料稱為納米材料。（1） 納米尺度：1nm至到100nm范圍的幾何尺度；（2） 納米結構單元：具有納米尺度結構特征的物質單元，包括穩(wěn)定的團簇或人造原子團簇、納米品、納米粒子、納米管、納米棒、納米線、納米單層膜及納米孔等；（3） 納米材料：物質結構在三維空間至少有一維處于納米尺度，或由納米結構單元組成的且具有特殊性質的材料。納米材料的主要特征在于其外觀尺度，納米材料按幾何特征一一維數(shù)可分為零維、一維、二維和三維。零維是指長、寬、高三維尺度均在納米尺寸內，例如納米粒子、分子團、量子點等。一維是指長、寬、高三維中有二維處于納米尺度，例如納米絲、納米棒、納米管和量子線等。二維是指長、寬、高三維中僅有一維處于納米尺度，例如納米薄膜，超品格層和量子井。其中零維納米材料、一維納米材料和二維納米材料可作為納米結構單元組成納米固體材料、納米復合材料以及納米有序結構。納米科技和納米材料具有下列幾個關鍵特征：必須至少有一個維具有從1nm到數(shù)百個納米左右的尺度；設計過程必須體現(xiàn)微觀的操作與控制能力，能夠從根本上左右納米尺寸結構的物理性質與化學性質；能夠組合起來形成更大的結構；這種納米結構可能具有優(yōu)異的電學、光學、磁學、機械、化學等性能，至少是在理論上具備這樣的性能，但不能理解為越小越好；把原子和分子按設計方案一個一個地排布起來，而這種原子、分子排布出的納米結構必須具有可利用范圍內的化學穩(wěn)定性。II納米材料的基本性質納米材料的四大效應量子尺寸效應:當粒子的尺寸下降到某一納米值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象，以及納米半導體微粒中最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道的能級間隙變寬的現(xiàn)象。小尺寸效應:當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相十長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，品體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力學等物性發(fā)生變化，這就是納米粒子的小尺寸效應，又稱體積效應。表面效應:又稱界面效應，是指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后所引起的性質上的變化。宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近年來發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如微粒的磁化強度、量子尺寸效應通量等在量子相干器件中也具有隧道效應。納米材料的物理化學性能納米微粒的熱學性能對于納米微粒，由于顆粒小使得納米微粒的熔點急劇下降。除了極低溫度（低于幾個K）以外，高溫和低溫下納米材料的比熱容都比傳統(tǒng)材料有所增大。由于在納米結構材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴散途徑。因此，與單品材料相比，納米結構材料具有較高的擴散率。納米微粒的光學性能寬頻帶強吸收：所有的金屬超微粒子均為黑色，尺寸越小，色澤越黑。粒子對可見光低反射率、強吸收率，導致粒子變黑。納米粒子大的比表面導致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個單一的、擇優(yōu)的鍵振動模式，而存在一個較寬的鍵振動模的分布，在紅外光場作用下它們對紅外吸收的頻率也就存在一個較寬的分布，這就導致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。藍移現(xiàn)象：與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移”現(xiàn)象，即吸收帶向短波方向移動。納米微粒的發(fā)光隨粒徑減小，發(fā)射帶強度增強并移向短波方向。當粒徑大于6nm時，這種光發(fā)射現(xiàn)象消失。納米微粒的電學性能納米金屬塊體材料的電導隨品粒尺寸的減小而減小而且具有負的電阻溫度系數(shù)，己被實驗所證實。納米介電材料具有量子尺寸效應和界面效應，將較強烈地影響其介電性能主要表現(xiàn)在1）空間電荷引起的界面極化。2）介電常數(shù)或介電損耗具有強烈的尺寸效應。3）納米介電材料的交流電導常遠大于常規(guī)電介質的電導。納米微粒的磁學性能對于大致球形的品粒，矯頑力隨品粒尺寸的減小而增加，達到一最大值后，隨著品粒的進一步減小矯頑力反而下降。但是當尺寸降到20nm或以下時，由于位于表面或界面的原子占據(jù)相當大的比例，而表面原子的原子結構和對稱性不同于內部的原子，因而將強烈地降低飽和磁化強度Ms。納米材料通常具有較低的居里溫度。超順磁性是當微粒體積足夠小時，熱運動能對微粒自發(fā)磁化方向的影響而引起的磁性。處于超順磁狀態(tài)的材料具有兩個特點：①無磁滯回線；②矯頑力等于零。納米微粒的力學性能①納米材料的彈性模量低于常規(guī)品粒材料的彈性模量；②納米純金屬的硬度或強度是大晶粒（＞1）金屬硬度或強度的2?7倍；③納米材料可隨著品粒尺寸的減小，強度降低；④在較低的溫度下，如室溫附近脆性的陶瓷或金屬間化合物在具有納米品時，由于擴散相變機制而具有塑性或超塑性。納米微粒的化學特性吸附可分成兩類：一類是物理吸附，即吸附劑與吸附相之間是以范德華力之類較弱的物理力來結合；另一類是化學吸附，即吸附劑與吸附相之間是以化學鍵強結合。非電解質是指電中性的分子，它們可通過氫鍵、范德瓦爾斯力、偶極子的弱靜電力吸附在粒子表面上。其中以形成氫鍵而吸附在其它相上為主。電解質在溶液中以離子形式存在，其吸附能力大小由庫侖力來決定。解釋納米顆粒的光吸收帶出現(xiàn)“藍移”現(xiàn)象的原因。一是量子尺寸效應，由于顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導致光吸收帶移向短波方向。從分子結構的角度解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級與未被占據(jù)分子軌道能級之間的寬度（能隙）隨顆粒直徑減小而增大，這是產(chǎn)生藍移的根本原因。另一種是表面效應。由于納米微粒顆粒小，大的表面張力使品格畸變，品格常數(shù)變小。對納米氧化物和氮化物微粒研究表明，第一近鄰和第二近鄰的距離變短。鍵長的縮短導致納米微粒的鍵本征振動頻率增大，結果使紅外光吸收帶移向了高波數(shù)。引起紅移的因素也很復雜，歸納起來有：1）電子限域在小體積中運動；量子限域效應2）粒徑減小，內應力增加，這種內應力的增加會導致能帶結構的變化，電子波函數(shù)重疊加大，結果帶隙、能級間距變窄，這就導致電子由低能級向高能級及半導體電子由價帶到導帶躍遷引起的光吸收帶和吸收邊發(fā)生紅移；3）激子吸收帶--量子限域效應與常規(guī)材料相比，納米微粒的熔點、燒結溫度和比熱發(fā)生什么變化，并分別解釋原因。由于界面原子的振動焓、熵和組態(tài)焓、熵明顯不同于點陣原子，使納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學特性，如比熱容升高、熱膨脹系數(shù)增大、熔點降低熔點下降的原因：由于納米顆粒尺寸小，表面原子數(shù)比例提高，表面原子的平均配位數(shù)降低，這些表面原子近鄰配位不全，具有更高的能量，活性大（為原子運動提供動力），納米粒子熔化時所需增加的內能小，這就使得納米微粒熔點急劇下降。燒結溫度降低原因：納米微粒尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結過程中高的界面能成為原子運動的驅動力，有利于界面附近的原子擴散，有利于界面中的孔洞收縮，空位團的埋沒。因此，在較低的溫度下燒結就能達到致密化的目的，即燒結溫度降低。熱容升高的原因：納米結構材料的界面結構原子雜亂分布，品界體積百分數(shù)大（比常規(guī)塊體），因而納米材料表面熵對比熱的貢獻比常規(guī)材料高很多，需要更多的能量來給表面原子的振動或組態(tài)混亂提供背景，使溫度上升趨勢減慢。光催化的概念以及基本原理。在光的照射下，通過把光能轉變成化學能，促進有機物的合成或使有機物降解的過程稱作為光催化。原理：當半導體氧化物納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導帶，產(chǎn)生了電子一空穴對，電子具有還原性，空穴具有氧化性，空穴與氧化物半導體納米粒子表面的OH反應生成氧化性很高的OH自由基，活潑的OH自由基作為強氧化劑可以把許多難降解的有機物氧化為CO2和水等無機物，其變化過程如下：酯一醇一醛一酸一CO2,從而完成對有機物的降解。半導體的光催化活性主要取決導帶與價帶的氧化一還原電位。價帶的氧化一還原電位越正，導帶的氧化一還原電位越負，則光生電子和空穴的氧化還原能力就越強，從而使光催化降解有機物的效率大大提高。III.納米材料的制備技術納米微粒制備方法按反應所處的介質環(huán)境分類固相法、氣相法、液相法；按是否發(fā)生化學反應分類物理法，化學法；3按原材料的尺寸分類，自上而下，自下而上固相法是指制備納米微粒的原材料，中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物都是固態(tài)的。據(jù)其工藝特點可分為機械法和固相反應法兩類。氣相法是指制備納米微粒的原料為氣態(tài)物質，或者在制備過程中存在氣態(tài)的中間產(chǎn)物。氣相法主要有物理氣相沉積（PVD）法和化學氣相沉積（CVD）法兩大類。液相法是指在溶液中制備納米微粒，是目前實驗室和工業(yè)上經(jīng)常采用的制備納米粉體材料的方法。納米材料的制備方法可以分為兩大類，即“從大到小”和“從小到大”。1） “從大到小”的方法。主要是指物理方法，即通過各種物理學原理，使材料、礦物等粉末化，再進一步納米化。2） “從小到大”的方法。主要是化學方法，即通過各種化學合成原理，使原子、分子、晶胞等自組裝成納米級結構的物質。物理方法制備納米粒子主要涉及到蒸發(fā)、熔融、凝固、變形、粒徑變化等物理變化過程。通常分為粉碎法和構筑法兩大類。“粉碎”是指固體物料粒子尺寸由大變小過程的總稱，它包括“破碎”和“粉磨”。前者是由大料變成小料塊的過程，后者是由小料塊變成粉體的過程。固體物料粒子的粉碎過程，實際上就是在粉碎力的作用下固體料塊或粒子發(fā)生變形進而破裂的過程。蒸發(fā)凝聚法：是將納米粒子的原料加熱、蒸發(fā)，使之成為原子或分子；再使許多原子或分子凝聚，生成微細的納米粒子。由于制備過程一般不伴有燃燒之類的化學反應，全過程都是物理變化過程。濕化學制備技術沉淀法定義：在含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中加入沉淀劑（如OH-、C2O42-、CO32-）等，或在一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類并從溶液中析出，將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)熱分解或脫水即得到所需要的氧化物粉。主要有共沉淀、均相沉淀、金屬純鹽水解法等。共沉淀法：含有多種陽離子的溶液中加入沉淀劑后，所有離子完全沉淀的方法稱為共沉淀法。又分為單相共沉淀和混合物共沉淀。均相沉淀法：沉淀過程一般是不平衡的，但控制溶液中的沉淀劑濃度，使之緩慢地增加，可使溶液中的沉淀處于平衡狀態(tài)，沉淀可在整個溶液中均勻出現(xiàn)，稱為均相沉淀。金屬醇鹽水解法：利用一些金屬有機醇鹽能溶于有機溶劑并可能發(fā)生水解、生成氫氧化物或氧化物沉淀的特性制備細粉的方法稱為金屬純鹽水解法。溶膠一凝膠法基本原理：是以液態(tài)的化學試劑配制金屬無機鹽或金屬醇鹽前驅物，前驅物溶于溶劑中形成均勻的溶液，溶質與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應，反應生成物形成穩(wěn)定的溶膠體系，經(jīng)過長時間放置或干燥處理溶膠會轉化為凝膠，再經(jīng)熱處理即可得到產(chǎn)物。溶膠一凝膠法包括以下3個過程：（1）溶膠的制備（2）溶膠一凝膠轉化（3）凝膠干燥有兩種方法制備溶膠：一、先將部分或全部組分用適當沉淀劑先沉淀出來，經(jīng)解凝，使原來團聚的沉淀顆粒分散成原始顆粒。因這種原始顆粒的大小一般在溶膠體系中膠核的大小范圍，因而可制得溶膠。二、由同樣的鹽溶液出發(fā)，通過對沉淀過程的仔細控制，使首先形成的顆粒不致團聚為大顆粒而沉淀，從而直接得到膠體溶膠。溶膠中含大量的水，凝膠化過程中，使體系失去流動性，形成一種開放的骨架結構。實現(xiàn)膠凝作用的途徑有兩個：化學法，通過控制溶膠中的電解質濃度；物理法，迫使膠粒間相互靠近，克服斥力，實現(xiàn)膠凝化.凝膠干燥一定條件下（如加熱）使溶劑蒸發(fā)，得到粉料。干燥過程中凝膠結構變化很大。干燥途徑有3個：減壓加熱干燥，減壓加熱使溶劑揮發(fā)，得到體積收縮的干凝膠。真空冷凍干燥，在真空系統(tǒng)中，用冷凝器捕捉溶劑使凝膠干燥，得到體積收縮較小的干凝膠。超臨界干燥，加壓加熱至超臨界狀態(tài)，使溶劑直接移去，得到體積幾乎不變的氣凝膠。水熱法水熱反應是高溫高壓下在水（水溶液）或水蒸氣等流體中進行有關化學反應的總稱.一般是在100—350°C溫度下和高氣壓環(huán)境下采用水作為反應介質，使無機或有機化合物與水化合，通過對加速滲析反應和物理過程的控制，使得通常難溶或不溶的物質溶解或者進行重結品，得到改進的無機物，再過濾、洗滌、干燥，從而得到高純、超細的各類微粒子。依據(jù)水熱反應的類型不同，可分為水熱結品法、合成法、分解法、脫水法、氧化法、還原法等。水熱合成法可以采用兩種不同的實驗環(huán)境進行反應：其一為密閉靜態(tài)，即將金屬鹽溶液或其沉淀物置入高壓反應釜內，密閉后加以恒溫，在靜止狀態(tài)下長時間保溫；其二為密閉動態(tài)，即在高壓釜內加磁性轉子，密閉后將高壓釜置于電磁攪拌器上，在動態(tài)的環(huán)境下保溫。一般動態(tài)反應條件下可以大大加快合成速率。特征：在封閉容器中進行，避免了組分的揮發(fā)；體系一般處于非理想、非平衡狀態(tài)；溶劑處于接近臨界、臨界或超臨界狀態(tài)。微乳液法微乳液是指熱力學穩(wěn)定分散的互不相溶的液體組成宏觀上均一而微觀上不均一的液體混合物。典型的微乳液體系的組成包括：表面活性劑、助表面活性劑、有機溶劑和水微乳液制備納米粒子的基本原理：微乳液中不溶于有機相的“水滴”被表面活性劑和助表面活性劑所組成的單分子層包圍形成微乳顆粒，其大小可控制在幾到幾十個nm之間。在反應過程中，生成物被局限在微乳液滴水核的內部，并且形成的顆粒大小和形狀反映液滴的內部情況，這就是用微乳制備納米粒子的原理?；具^程：將兩種反應物分別溶于組成完全相同的兩份微乳液中，然后在一定條件下混合兩種反應物。通過微乳液進行物質交換彼此相遇發(fā)生反應生成納米微粒，通過超速離心使納米微粒與微乳液分離，再用有機溶劑除去附著在納米微粒表面的油和表面活性劑，最后經(jīng)干燥處理即可得到目標產(chǎn)物。納米材料的自組裝納米材料的自組裝是在合適的物理、化學條件下，原子、分子、粒子和其他結構單元，通過氫鍵、范德瓦爾斯鍵、靜電力等非共價鍵的相互作用、親水疏水相互作用，在系統(tǒng)能量最低性原理的驅動下，自發(fā)地形成具有納米結構材料的過程。納米結構自組裝體系大致分為兩類：一是人工納米結構組裝體系，二是納米結構自組裝體系和分子自組裝體系。自組裝體系的形成有兩個重要的條件：一是有足夠數(shù)量的非共價鍵或氫鍵存在；二是自組裝體系能量較低。主要自組裝手段：膠體自組裝、模板法、一維納米線的組裝流體組裝、L-B技術表面壓力組裝、電場驅動組裝）。納米微粒的表面修飾與改性納米微粒的表面工程：是用物理、化學方法改變納米微粒表面的結構和狀態(tài)，實現(xiàn)對納米微粒表面的控制。通過對納米微粒表面的修飾，可以達到以下4個方面的目的：改善或改變納米顆粒的分散性；改善納米顆粒的表面活性或相容性；改善納米顆粒的耐光、耐紫外線、耐熱、耐候等性能；使顆粒表面產(chǎn)生新的物理、化學和力學性能以及其他新的功能。按其修飾改性基本原理分為：表面物理修飾、表面化學修飾納米微粒的表面物理修飾方法包括1.表面活性劑法2.表面沉積法通過納米微粒表面與修飾劑之間進行化學反應，改變納米微粒表面結構和狀態(tài)，達到表面改性的目的，稱為納米微粒的表面化學修飾。目前主要有以下幾種：酯化反應法、偶聯(lián)劑法、磷酸酯法、高分子表面接枝改性法以及原位修飾法等。納米粒子體系的團聚粒子的團聚一般可分為軟團聚體和硬團聚體兩種形態(tài)。軟團聚主要是由粒子間的靜電力和范德華力或因團聚體內液體的存在而引起的毛細管力所致，相互作用力較小;硬團聚的形成除了靜電力和范德華力之外，還存在化學鍵作用以及粒子間液相橋或固相橋的強烈結合作用，這種團聚體相互作用力大，強度高。納米粒子團聚的原因主要有：納米顆粒的表面靜電荷引力、納米顆粒的高表面能、納米顆粒間的范德華力、納米顆粒的表面的氫鍵及其化學鍵作用。對納米粉體的粒子團聚問題應從以下幾個方面重點加以解決，首先應在納米粉體的制備過程中盡量避免團聚,如在反應體系中加入適量的表面活性劑、螯合劑以改變靜電力大小或加大空間位阻，降低粒子間的引力來抑制粉體的團聚，也可采用超聲波、加入分散劑、控制反應速率、改變洗滌方式仗□改變水洗或醇洗為二步洗滌）、低溫干燥處理等方法，同時通過加入納米添加劑,利用摻雜效應來控制團聚，提高材料的性能;其次,在納米粉體的壓制成型過程中通過施加一定壓力（臨界壓力）壓碎粉體中的團聚體。IV納米材料的表征乂皿分析X射線粉末物質衍射法可以鑒定物質晶相的尺寸和大小，并根據(jù)特征峰的位置鑒定樣品的物相。依據(jù)XRD衍射圖，利用謝樂（Scherre公式，用衍射峰的半高寬FWHM和位置，可以計算出納米粒子的粒徑。其基本原理是入射電磁波在晶體中產(chǎn)生的“布拉格衍射”。當電子、光子或中子入射自然晶體內，將受到原子排斥力的影響，及原子與原子間距離的影響，而呈現(xiàn)一種布拉格繞射”（braggdiffract）!碰散射（scattering發(fā)生布拉格繞射的光學行為有兩個主要過程：1光子撞擊晶體原子后光子的反彈（稱為散射）；2由于散射后的光子又受到晶格影響而不依反彈后的方向進行，卻繞到另一方向進行，這就是布拉格繞射，或稱晶體繞射。粒度分析的方法。電子顯微鏡法、沉降法、電超聲粒度分析法、激光粒度分析法、比表面積分析法等掃描探針顯微技術SPM以掃描隧道電子顯微鏡STM、原子力顯微鏡AFM、磁力掃描顯微鏡MFM、彈道電子發(fā)射顯微鏡BEEM、掃描近場光學顯微鏡SNOM等新型系列掃描探針顯微鏡為主要實驗技術，利用探針與樣品的不同相互作用，在納米級甚至原子級水平上研究物質表面的原子和分子的幾何結構，及與電子行為有關的物理、化學性質，在納米尺度上研究物質的特性。透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的工作原理透射電子顯微鏡：是以電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高放大倍率、高放大倍數(shù)的電子光學儀器。光路原理是由電子槍發(fā)射出的在高加速電壓的作用下，以極快的速度射出，通過聚光鏡將電子聚成很細的電子束，入射到樣品上。電子束經(jīng)過樣品后進入物鏡，然后通過中間鏡、透射鏡幾級放大，在熒光屏上得到高配圖像。掃描電子顯微鏡：利用聚焦非常細的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信號。通過對這些信號的接收、放大和顯示成像，獲得對試樣表面形貌的觀察。掃描隧道顯微鏡：利用量子力學中的隧道效應。根據(jù)經(jīng)典力學，當電子的能量低于勢壘時，是不能穿越勢壘區(qū)的；但根據(jù)量子力學，電子具有波動性，能夠以一定的概率穿過勢壘，這就是所謂的隧道效應。原子力顯微鏡：原子力顯微鏡工作時，探針以接觸、非接觸、敲擊方式中的一種方式探索樣品的表面。當探針的針尖接近樣品時，針尖由于受到力的作用使懸臂偏轉或是懸臂的振幅改變。懸臂的變化有監(jiān)測系統(tǒng)檢測到后傳遞給反饋系統(tǒng)和成像系統(tǒng)光譜分析技術振動光譜可以分為紅外輻射的吸收（紅外光譜）或光散射（拉曼光譜）。紅外和拉曼光譜的強度分別依賴于振動分子的偶極矩變化和極化率的變化，因而，可用于揭示材料中的空位、間隙原子、位錯、晶界和相界等方面的關系，提供相應信息，可用作納米材料分析。納米材料的紅外光譜通常表現(xiàn)出吸收峰的寬化以及藍移或紅移變化。這是多種因素綜合作用的結果。通常概括為3個方面：量子尺寸效應導致藍移。因為當晶粒減小到某一值時，會使費米能級附近的能級間隙變寬，從而引起吸收峰藍移。品格畸變導致的變化。隨著顆粒粒度的減小，界面所引起的對晶粒組元的負壓強使品粒微結構發(fā)生變化從而引起品格畸變?；冇袃煞N情況，一是當晶粒減小到納米級時，發(fā)生品格膨脹，使平均鍵長增大，化學鍵力常數(shù)減小，鍵的振動頻率減小，紅外吸收峰紅移。二是相反的情況，品格畸變，品格常數(shù)變小，鍵長的縮短會導致化學鍵力常數(shù)增大，從而引起紅外吸收峰的藍移。表面效應導致的變化。拉曼光譜是由分子的非彈性散射現(xiàn)象產(chǎn)生的。拉曼散射的產(chǎn)生原因是光子與分子之間發(fā)生了能量交換，改變了光子的能量。拉曼散射與晶體的晶格振動密切相關，只有對一定的品格振動模才產(chǎn)生拉曼散射。納米材料中材料內部組成和界面組成的有序程度有一定的差異，所以鍵的振動模也就會有差異。這樣就可以通過納米材料與本體材料拉曼光譜的差異來研究納米材料的結構和鍵態(tài)特征。具備拉曼活性的必要條件：拉曼活性需要分子有極化率的變化。納米顆粒尤其是粒徑小于10nm的納米顆粒的拉曼光譜的特點主要表現(xiàn)在：①拉曼峰向低頻方向移動或出現(xiàn)新的拉曼峰；②拉曼峰的半高寬明顯寬化。V納米材料的應用建筑領域涂料工業(yè)根據(jù)涂料的細度可以把納米復合涂料細分為納米改性涂料和納米結構涂料，在建筑材料領域內主要使用的是具有耐老化和抗輻射等要求的涂料。耐老化型:納米二氧化鈦(TiO2)、納米二氧化硅(SiO2)、納米氧化鋅(ZnO)及納米三氧化二鐵(Fe2O3)等是優(yōu)良的抗老化劑，可以明顯地提高涂料的耐老化性能?？馆椛湫?納米二氧化鈦(TiO2)吸收紫外線的能力強。納米二氧化硅(SiO2)具有極強的紫外反射，對波長400nm以內的紫外光反射率達70%以上，在涂料中能起屏蔽作用。達到抗紫外老化和抗熱老化的目的，同時增加涂料的隔熱性，納米二氧化硅(SiO2)是一種良好的涂料抗老化與抗輻射型添加劑。導電型:具有高阻抗的高分子材料在制品加工和最終使用過程中，由于靜電荷積累會造成許多缺陷。在涂料工業(yè)中，納米微粒是一種新型抗靜電劑。將納米二氧化鈦(TiO2)、氧化銘(Cr2O3)、三氧化二鐵(Fe2O3)及氧化鋅(ZnO)等具有半導體性質的粉體摻入樹脂中有良好的靜電屏蔽性能?；ゎI域催化劑納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10?15倍。貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應用到高分子高聚物的氫化反應上，例如納米粒子銠在氫化反應中顯示了極高的活性和良好的選擇性。光催化劑常用的光催化半導體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，利太陽光可進行有機物的降解。助燃劑金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用，也可以摻雜到高能密度的材料以增加爆炸效率；還可以作為引爆劑進行使用。為了提高熱燃燒效率，將金屬納米粒子和半導體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。高分子工業(yè)納米塑料與橡膠是指基體為高分子聚合物，通過納米粒子在聚合物中的充分分散，有效地提高了聚合物的耐熱、耐候、耐磨及抗菌等性能。光學領域納米微粒由于小尺寸效應使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學特性，如光學非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強的依賴關系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學特性制成的各種光學材料將在日常生活和高技術領域得到廣泛的應用。紅外反射材料用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在有燈絲的燈泡罩的內壁，結果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。紫外吸收材料納米微粒粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對紫外有吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對紫外吸收