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納米材料的幾種效應(yīng)
納米材料微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1nm--100nm）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料，它包括零維的原子團(tuán)蔟（幾十個原子的聚集體）和納米微粒；一維調(diào)制的納米多層膜；二維調(diào)制的納米微粒膜（涂層）；以及三維調(diào)制的納米相材料。
納米固體中的原子排列既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序、長程有序的"氣體狀"固體結(jié)構(gòu)，是一種介于固體和分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。因此，一些研究人員把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的"第三態(tài)晶體材料"。
正是由于納米材料這種特殊的結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生四大效應(yīng)，即表面效應(yīng)和界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)（含宏觀量子隧道效應(yīng)），從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學(xué)性能，表現(xiàn)出獨(dú)特的光、電、磁和化學(xué)特性。
（1）表面與界面效應(yīng)
這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。因?yàn)楸砻嬖訑?shù)目增多，比表面積大，原子配位不足，表面原子的配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸空鍵和不飽和鍵，表面能高，因而導(dǎo)致這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。這種表面原子的活性不但易引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型的變化，同時也會引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。納米材料由此具有了較高的化學(xué)活性，使得納米材料的擴(kuò)散系數(shù)大，大量的界面為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散路徑，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機(jī)納米粒子會吸附氣體等等。
（2）小尺寸效應(yīng)
當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，它的周期性邊界被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出新的物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時卻開始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔�，此外又有可能�?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。對于2nm的金粒子，在高分辨率顯微鏡下可觀察到其形態(tài)在單晶與多重孿晶之間進(jìn)行連續(xù)的變化，這與通常的熔化相變不同，而是小尺寸粒子所具有的熔化現(xiàn)象。對于納米尺度的強(qiáng)磁性粒子，如Fe-Co合金，當(dāng)粒子尺寸為單疇臨界尺寸時，可具有非常高的矯頑力，可用于磁性信用卡、磁性鑰匙等。由于小尺寸效應(yīng)，一些金屬納米粒子的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于塊狀金屬，例如，2nm的金粒子的熔點(diǎn)為600K，塊狀金為1337K，納米銀粉的熔點(diǎn)可降低至100攝氏度。
（3）量子尺寸效應(yīng)
當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級時，費(fèi)米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。
（4）宏觀量子隧道效應(yīng)
宏觀量子隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。這種微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。比如，原子內(nèi)的許多磁性電子（指3d和4f殼層中的電子），以隧道效應(yīng)的方式穿越勢壘，導(dǎo)致磁化強(qiáng)度的變化，這是磁性宏觀量子隧道效應(yīng)，早在1959年，此概念曾用來定性解釋納米鎳晶粒為什么在低溫下能繼續(xù)保持超順磁性的現(xiàn)象。
簡單而言，大部分物質(zhì)達(dá)到納米級后，會具有表面與界面效應(yīng)，表現(xiàn)為較高的化學(xué)活性，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機(jī)納米粒子會吸附氣體等等。
部分會產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)，表現(xiàn)出新的物理特性。目前，這兩個效應(yīng)在生產(chǎn)，生活中應(yīng)用的是最普遍的；如納米涂層衣服，納米光觸媒空氣治理劑，自潔玻璃、陶瓷等等。
還有量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)，目前應(yīng)用的還比較少些。