纳米材料的特性是什么（纳米材料的分类和特性）

一、纳米材料的分类

纳米材料的分类方法很多，按其结构可分为：晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料(见图 10.10)。按化学组成可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等。按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按材料用途可分为纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等。

二、纳米材料的特性

纳米材料具有特殊的结构，由于组成纳米材料的超微粒尺度属纳米量级，这一量级大大接近于材料的基本结构——分子甚至于原子，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的 50%左右，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。不论这种超微颗粒由晶态或非晶态物质组成，其界面原子的结构都既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的类似气体固体结构，因此，一些研究人员又把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。

1、基本物理效应

1) 小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变，普通金属金的熔点是 l337K，当金的颗粒尺寸减小到 2nm 时，金微粒的熔点降到 600K；纳米银的熔点可降低到 100℃。

由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等，例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。

2) 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。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加，原子配位不足和高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。配位越不足的原子，越不稳定，极易转移到配位数多的位置上，表面原子遇到其他原子很快结合，使其稳定化，这就是活性原因。这种表面原子的活性，不但引起纳米粒子表面输送和构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能级的变化，例如，化学惰性的金属铂在制成纳米微粒后也变得不稳定，使其成为活性极好的催化剂，金属纳米粒子在空中会燃烧，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。

3) 量子尺寸效应

是指粒子尺寸下降到极值时，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应。日本科学家久保(Kubo)给量子尺寸下的定义是：当粒子尺寸降到最小值时，出现费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象，以及纳米半导体存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象，这时就会出现明显的量子效应，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料的特性有明显的不同。例如，纳米微粒对于红外吸收表现出灵敏的量子尺寸效应；共振吸收的峰比普通材料尖锐得多；比热容与温度的关系也呈非线性关系。此外，微粒的磁化率、电导率、电容率等参数也因此具有特有的变化规律。例如，金属普遍是良导体，而纳米金属在低温下都是呈现电绝缘体，PbTiO3、BaTiO3 和 SrTiO3 通常情况下是铁电体，但它们的纳米微粒是顺电体；无极性的氮化硅陶瓷，在纳米态时却会出现极性材料才有的压电效应。

4) 宏观量子隧道效应

微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用都具有重要意义，它限定了磁盘等对信息存储的极限，确定了现代微电子器件进一步微型化的极限，由于纳米材料本身所具有的这些基本特性使它的应用领域十分广阔。

2. 扩散及烧结性能

由于在纳米结构材料中有着大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳米结构材料具有较高的扩散率，使一些通常较高温度才能形成的稳定或介稳相在较低温度下就可以存在，另外也可使纳米结构材料的烧结温度大大降低(所谓烧结温度是指把粉末先加压成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合，密度接近于材料的理论密度的温度)。

3. 超塑性

材料在特定条件下可产生非常大的塑性变形而不断裂的特性被称为超塑性(通常指在拉伸情况下)或超延展性(轧制条件下)。对于金属或陶瓷多晶材料，其产生条件是高温(通常高于熔点的一半)和稳定的细晶组织。超塑性是指在断裂前产生很大的伸长量，其机制目前还在争议之中，但从实验现象中可以得出晶界和扩散率在这一过程中起着重要作用。如陶瓷材料在高温时具有超塑性，可以通过使晶粒的尺寸降到纳米级来实现其室温超塑性。

4. 力学性能

由于纳米晶体材料有很大的表面积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使其弹性模量减小了 30%以上。此外，由于晶粒减小到纳米量级，使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高 4～5倍。与传统材料相比，纳米结构材料的力学性能有显著的变化，一些材料的强度和硬度成倍的提高，这方面还没有形成比较系统的理论。

5. 光学性能

纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料以及手机辐射屏蔽材料。

6. 电学性能

由于晶界上原子体积分数的增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。纳米半导体的介电行为(介电常数、介电损耗)及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同。如纳米半导体材料的介电常数随测量频率减少呈明显上升趋势，另外其界面存在大量的悬键，导致其界面电荷分布发生变化，形成局域电偶极矩。

7. 磁学性质

由于改变原子间距可以影响材料的铁磁性，因此纳米材料的磁饱和量 Me 和铁磁转变温度将降低，如 6nm Fe 的 Me 为 130 cm µg−1、而正常α − Fe 多晶材料为 220 cm µg−1、Fe 基金属玻璃态为 215 cm µg−1。纳米材料另一个重要的磁学性质是磁(致)热的(magnetocaloric)效应，指的是如果在非磁或弱磁基体中包含很小的磁微粒，当其处于磁场中时，微粒的磁旋方向会与磁场相匹配，因而增加了磁有序性，降低了自旋系统的磁熵。如果此过程是绝热的，自旋熵将随晶格熵的增加而减小，且样品温度升高，这是一个可逆过程。

8. 其他性质

纳米材料的比热大于同类粗晶和非晶材料，Cp 的增加与界面结构有关，界面结构越开放，Cp 的增加幅度就越大，这是由于界面原子耦合变弱的结果。由于纳米材料原子在其晶界上高度弥散分布，因此纳米材料的弥散性要强于同类单晶或多晶材料，这对诸如材料的蠕变等一系列性质有着重要的影响。近年来报道了一些纳米材料的腐蚀行为。由于纳米材料具有精细晶粒和均匀结构，因此纳米材料受到的是均匀的腐蚀，而粗晶材料多为晶界腐蚀。