纳米材料的四大效应及其实际意思是什么啊?     DATE: 2019-08-29 10:53

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  1、表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表9-2给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系。

  随粒径减小,▼▲表面原子数迅速增加。另外,随着粒径的减小,纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小,处于表面的原子数越多。表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同。

  表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易于其他原子想结合而稳定下来,因而表现出很大的化学和催化活性。

  粒子尺寸下降到一定值时,费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo采用一电子模型求得金属超微粒子的能级间距为:4Ef/3N

  式中Ef为费米势能,N为微粒中的原子数。宏观物体的N趋向于无限大,因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限,N值较小,导致有一定的值,即能级间距发生分裂。

  半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级,△表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性,如高的光学非线性,特异的催化和光催化性质等。

  微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化,故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。

  纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中,粒子被空气﹑聚合物﹑玻璃和溶剂等介质所包围,而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时,由于折射率不同产生了界面,邻近纳米半导体表面的区域、纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。

  这种局部的场强效应,对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料,介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响

  纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。

  利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性,通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等,使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平,使材料的强度、极速快三注册登录韧性和超塑性大幅度提高。

  它克服了工程陶瓷的许多不足,并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响,为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

  英国材料学家Cahn指出,纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。 纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料

  又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。▪️•★可用于:高密度磁记录材料;吸波隐身材料;磁流体材料;防辐射材料;单晶硅和精密光学器件抛光材料。

  微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;太阳能电池材料;高效催化剂;高效助燃剂;敏感元件;高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。

  指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于:微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

  纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于:气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。

  纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为:超高强度材料;智能金属材料等。

  海龟在美国佛罗里达州的海边产卵,但出生后的幼小海龟为了寻找食物,却要游到英国附近的海域,才能得以生存和长大。最后,长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5~6年,为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢?它们依靠的是头部内的纳米磁性材料,▲★-●为它们准确无误地导航。

  生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时,也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。

  在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。

  传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。

  如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性,而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

  纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此,可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪,检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。

  在航天用的氢氧发动机中,燃烧室的内表面需要耐高温,其外表面要与冷却剂接触。因此,内表面要用陶瓷制作,外表面则要用导热性良好的金属制作。但块状陶瓷和金属很难结合在一起。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化,让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”。

  最终便能结合在一起形成倾斜功能材料,☆△◆▲■它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时,就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。

  展开全部表面效应:当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时,随着粒径减小,比表面积和表面原子数迅速增加。

  量子尺寸效应:当金属或半导体从三维减小至零维时,载流子在各个方向上均受限,随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值(激子玻尔半径)时,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。•●金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级,表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽,使微粒的发射能量增加,光学吸收向短波长方向移动(蓝移),直观上表现为样品颜色的变化,如CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色,金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。◆▼同时,纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应,▲●还原及氧化能力增强,从而具有更优异的光电催化活性[5,6]。

  小尺寸效应[7]:当物质的体积减小时,将会出现两种情形:一种是物质本身的性质不发生变化,而只有那些与体积密切相关的性质发生变化,如半导体电子自由程变小,磁体的磁区变小等;另一种是物质本身的性质也发生了变化,当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化,这就是纳米材料的体积效应,亦即小尺寸效应。这种特异效应为纳米材料的应用开拓了广阔的新领域,例如,随着纳米材料粒径的变小,其熔点不断降低,烧结温度也显著下降,从而为粉末冶金工业提供了新工艺;利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质,口▲=○▼可通过改变晶粒尺寸来控制吸收边的位移,从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料。

  宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如:微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化,称为宏观量子隧道效应[8].利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。Awachalsom等人采用扫描隧道显微镜技术控制磁性粒子的沉淀,并研究低温条件下微粒磁化率对频率的依赖性,证实了低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应[9]宏观量子隧道效应的研究对基础研究和实际应用都有重要的意义。它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。宏观量子隧道效应与量子尺寸效应,是未来微电子器件的基础,或者说确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。

  库仑堵塞与量子隧穿[10,11] :当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米,半导体粒子为几十纳米),体系是电荷“量子化”的,◆◁•即充电和放电过程是不连续的,充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C,e为一个电子的电荷,C为小体系的电容,□▼◁▼•☆■▲体系越小,C越小,能量Ec越大。我们把这个能量称为库仑堵塞能。换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能,这就导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一个单电子的传输。通常把小体系中这种单电子输运行为称为库仑堵塞效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来,一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。利用库仑堵塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件,如单电子晶体管和量子开关等。以上几种效应都是纳米微粒和纳米固体的基本特性,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇特的物理和化学性质[2,12] ,出现一些不同于其它大块材料的反常现象。这使纳米材料具有了传统材料所没有的优异性能和巨大的应用前景,成为材料科学中的一大亮点。★-●△▪️▲□△▽

  介电限域效应:当纳米微粒分散在异质介质中,将导致体系介电增强,从而引起微粒的介电性质与光学特性发生变化,这就是介电限域效应。一般情况下,纳米材料被分散在一种介电常数较低的基质当中,当介质的介电常数比纳米微粒小的多时,介电限域效应将起很重要的作用,它将使电子、空穴库仑作用增大,★▽…◇从而使激子束缚能进一步增大,最终引起吸收光谱和荧光光谱的红移[13]。

  纳米材料所具有的上述一些特殊效应,使纳米颗粒和纳米固体呈现许多特异的物理、化学性质,出现一些“反常现象”。例如金属为导体,但纳米金属微粒在低温时由于量子尺寸效应呈现电绝缘性;一般PbTiO3,BaTiO3和SrTiO3等是典型的铁电体,但当其尺寸进入纳米数量级时就会变成顺电体;铁磁性的物质进入纳米级(~5nm),由于由多畴变成单畴,产生极强的顺磁效应;当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成纳米陶瓷时,已不具有典型共价键特征,界面键结构出现部分极化,在交流电下电阻很小;化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂。众所周知,金属由于光反射呈现各种美丽的特征颜色,而纳米金属颗粒光反射能力显著下降,通常可低于1%,因而呈现黑色,这是由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对光的吸收能力增强;颗粒为6nm的纳米Fe晶体的断裂强度比多晶Fe提高12倍;纳米Cu晶体的自扩散是传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的103倍;纳米金属Cu的比热是传统Cu的两倍;纳米固体Pd热膨胀提高一倍;纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统材料有很大提高;纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1/2。由于纳米微粒所具有的常规材料所不具备的特性,使得纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景

  纳米材料由于其独特的尺寸结构,使得纳米材料有着传统材料不具备的特征。即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。例如,许多金属纳米粒子在室温下在空气中会被强烈氧化而燃烧是表面效应;2nm的金的熔点是327℃是小尺寸效应;纳米银时绝缘体是量子尺寸效应;铁到纳米级后铁磁性转变为顺磁性或软磁性是宏观量子隧道效应。★△◁◁▽▼