摘要奈米材料具有的獨特的物理和化學性質，使人們意識到它的發展可能給物理、化學、材料、生物、醫藥等學科的研究帶來新的機遇。奈米材料的應用前景十分廣闊。本文簡要介紹了奈米材料在結構與效能方面的一些獨特的性質，包括其物理效應以及物理化學性質。
關鍵字：奈米材料，效應，特性
奈米材料是指特徵尺寸在奈米數量級(通常指1~100 nm)的極細顆粒組成的固體材料。從廣義上講，奈米材料是指三維空間尺寸中至少有一維處於奈米量級的材料。通常分為零維材料（奈米微粒），一維材料（直徑為奈米量級的纖維），二維材料（厚度為奈米量級的薄膜與多層膜），以及基於上述低維材料所構成的固體。
從狹義上講，則主要包括奈米微粒及由它構成的奈米固體（體材料與微粒膜）。一般零維奈米材料有奈米顆粒、量子點等，一維奈米材料有奈米線、奈米棒、奈米管、奈米帶等，二維奈米材料主要是奈米薄膜。實際研究當中還有一些材料比如象介孔材料、多孔材料、以及具有特殊結構的材料，它們整體在三維方向都超過了奈米範圍，但是它們都是有奈米材料構成，並且具有奈米材料的性質，因此由奈米材料組成的塊體材料也屬於奈米材料的範圍[1]。
奈米級的顆粒是由數目極少的原子或分子組成的原子群或分子群，是一種典型的介觀系統。奈米晶粒內部的微觀結構與粗晶材料基本相同，從結構上看，它是由兩種組元構成的，即材料的體相組元晶體原子和介面組元晶界。奈米材料突出的結構特徵是晶界原子的比例很大，當晶粒尺寸為10 nm 時，乙個金屬奈米晶內的介面可達6×1025 m2，晶界原子達15% ~50%[2]。
目前很難用乙個統一的模型來描述奈米晶界的微觀結構，其原因在於奈米材料中的晶界結構相當複雜，若是常規材料，截面應該是乙個完整的晶體結構，但對於奈米晶來說，由於晶粒尺寸小，介面組元在整個材料中所佔的比例極大，晶界缺陷所佔的體積比也相當大，儘管每個單獨的分介面可能具有乙個二維區域性或局域的有序結構，但從乙個區域性介面到另乙個區域性介面的週期不同，由所有這樣的介面原子組成的介面，其原子排列方式均不同。它不但與材料的成分、鍵合型別、製備方法、成型條件以及所經歷的熱歷史等因素密切相關，而且在同一塊材料中不同晶界之間也各有差異。可以認為奈米材料中的介面存在著乙個結構上的分布，它們處於無序到有序的中間狀態，有的與粗晶介面結構十分接近，而有的則更趨於無序狀態。
因此，在整體上構成了一種與晶態和玻璃態均有較大差別的、嶄新的微觀結構[3,4]。
由於材料尺度的減小，達到奈米範圍以後，會表現出許多塊體材料不具有的特殊物理效應，主要包括量子尺寸效應、巨集觀量子隧道效應、庫侖阻塞效應、小尺寸效應、表面效應等[5,6,7,8]。
所謂量子尺寸效應是指當奈米材料的尺寸下降到一定程度時，其費公尺能級附近的電子能級由準連續轉變為分立的現象，同時奈米材料的能隙變寬，以及由此導致的奈米材料光、磁、熱、電、催化等特性與體材料顯著不同的現象。
對半導體材料而言，尺寸小於其本身的激子玻爾半徑，就會表現明顯的量子效應。奈米半導體微粒存在不連續的最高被佔分子軌道和最低未被佔分子軌道能級，能隙變寬的現象均稱為量子尺寸效應。早在60年代kubo採用電子模型給出了能級間距與顆粒直徑的關係為= 4ef/3n。
對常規物體，因包含有無限多個原子（n），故常規材料的能級間距幾乎為零（）；對於奈米微粒，因含原子數有限，有一定的值，即能級發生了**。當能級間距大於熱能、磁能、光子能量或超導態的凝聚能時，則引起能級改變、能隙變寬，使粒子的發射能量增加，光學吸收向短波方向移動，直觀上表現為樣品顏色的變化，這些必導致奈米晶體材料的光、熱、磁、聲、電等與常規材料有顯著的不同，如特異的光催化、較高的非線性光學效應等。量子尺寸效應產生最直接的影響就是奈米晶體吸收光譜的邊界藍移。
這是由於在奈米尺度半導體微晶中，光照產生的電子和空穴不再是自由的，存在庫侖作用，此電子-空穴對類似於大晶體中的激子。由於空間的強烈束縛導致激子吸收峰藍移，帶邊以及導帶中更高激發態均相應藍移。粒子尺寸越小，激發態能移越大，吸收峰藍移。
奈米材料中處於分立的量子化能級中電子的波動性帶來了奈米材料的一系列特殊性質，如高度光學非線性、特異性催化和光催化性質、強氧化性和還原性（如隨著半導體奈米晶粒粒徑的減小，分立能級增大，其光生電子比巨集觀晶態材料具有更負的電位，相應地表現出更強的還原性；而光生空穴因具有更正的電位，表現出更強的氧化性）
量子隧道效應是從量子力學的粒子具有波粒二象性的觀點出發，解釋粒子能夠穿越比總能量高的勢壘，這是一種微觀現象。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近年來，人們發現一些巨集觀量，例如微粒的磁化強度和量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應，稱其為巨集觀量子隧道效應。
微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。利用它可以解釋奈米鎳粒子在低溫下繼續保持超順磁性的現象。巨集觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有著重要意義。
它限定了磁帶、磁碟進行資訊貯存的時間極限。量子尺寸效應、隧道效應將會是未來微電子器件的重要影響因素，它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。當微電子器件進一步細微化時，必須要考慮上述的量子效應。
所謂庫侖阻塞效應是指單電子的輸運行為。當體系的尺度進入奈米範圍以後，由於衝入乙個電子的能量，e為乙個電子的電荷，c為材料的電容，材料的尺度越小，能量越大。因此是上乙個電子對下乙個電子的排斥能，稱為庫侖阻塞能，上述現象導致了電子不能集體傳輸，而是乙個乙個單電子傳輸。
如果在利用量子隧穿可以設計下一代奈米結構器件，如效能優越，功耗低的單電子電晶體。然而庫侖阻塞和量子隧穿一般都是在極低的溫度下發現的，其觀察條件是。因此假如我們能夠減小體系的尺寸，就可以提高其發生的溫度，大概當量子點的尺寸為1nm左右，就可以在室溫下觀察到並利用上述效應。
隨著奈米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增加，其表面狀態的改變將會引起微粒性質的顯著變化。例如，當在半導體奈米材料表面修飾一層某種介電常數較小的介質時，相對裸露於半導體奈米材料周圍的其它介質而言，被包覆的奈米材料中電荷載體的電力線更易穿過這層包覆膜，從而導致它比裸露奈米材料的光學性質有較大的變化，這就是介電限域效應。當奈米材料與介質的介電常數值相差較大時，便產生明顯的介電限域效應。
此時，帶電粒子間的庫侖作用力增強，結果增強了電子-空穴對之間的結合能和振子強度，減弱了產生量子尺寸效應的主要因素，電子-空穴對之間的空間限域能，即此時表面效應引起的能量變化大於空間效應所引起的能量變化，從而使能帶間隙減小，反映在光學性質上就是吸收光譜表現出明顯的紅移現象。奈米材料與介質的介電常數相差越大，介電限域效應就越明顯，吸收光譜紅移也就越大
由於奈米材料尺寸變小所引起的巨集觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。當奈米材料的尺寸與光波波長、德布羅意波長，以及超導態的相干長度或透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時，晶體週期性的邊界條件將被破壞；非晶態奈米材料的顆粒表面層附近原子密度減小，磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等與普通粒子相比都有很大變化。奈米材料之所以具有這些奇特的巨集觀結構特徵，是由於在奈米層次上，物質的尺寸不大不小，所包含的原子、分子數不多不少，其運動速度不快不慢。
而決定物質性質的正是這個層次的由有限分子組裝起來的集合體，而不再是傳統觀念上的材料性質直接決定於原子和分子。介於物質的巨集觀結構與微觀原子、分子結構之間的層次(即小尺寸效應)對材料的物性起著決定性作用。對奈米顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積顯著增加，從而產生一系列新奇的性質。
一是光學性質，金屬奈米顆粒對光的反射率很低，通常低於1%，大約幾微公尺的厚度就能完全消光，所以所有的金屬在奈米顆粒狀態下都呈現黑色；二是熱學性質，固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，奈米顆粒的熔點卻會顯著降低。例如，金的常規熔點是1064℃，10nm的顆粒熔點降低了27℃，2nm的熔點僅為327℃；三是磁學性質，小尺寸的奈米顆粒磁性與大塊材料顯著不同，大塊的純鐵矯頑力約為80a/m，而直徑小於20nm時，其矯頑力可以增加1000倍，當直徑小於6mn時，其矯頑力反而降低為零，呈現出超順磁性，可廣泛地應用於電聲器件、阻尼器件等。因此奈米材料尺寸的減小，會帶來許多奇異的特性。
表面效應是指奈米微粒表面原子與總原子數之比，隨粒徑的變小而急劇增大後引起性質上的變化。奈米材料的顆粒尺寸小，位於表面的原子所佔的體積分數很大，產生相當大的表面能。隨著奈米粒子尺寸的減小，比表面積急劇加大，表面原子數及比例迅速增大。
由於表面原子數增多，比表面積大，使得表面原子處於「裸露」狀態。周圍缺少相鄰的原子，原子配位數不足，存在未飽和鍵，導致了奈米顆粒表面存在許多缺陷，使這些表面具有很高的活性，特別容易吸附其他原子或與其他原子發生化學反應。這種表面原子的活性不但引起奈米粒子表面輸運和構型的變化，同時也引起表面電子自旋、構象、電子能譜的變化。
它是奈米粒子及其固體材料的最重要的效應之一。由於奈米粒子存在介面效應與表面效應，因而產生粒子表面過剩電荷、電荷載流子的相互作用、魔聚數與粒子穩定性以及粒度控制等研究課題。可以廣泛的應用於催化，吸附等領域。
而利用有機材料對奈米材料表面的修飾和改性可以得到超親水和超疏水可調的奈米材料，可以廣泛的用於民用工業。
奈米材料的物理性質和化學性質既不同於巨集觀物體，也不同於微觀的原子和分子。當組成材料的尺寸達到奈米量級時，奈米材料表現出的性質與體材料有很大的不同。在奈米尺度範圍內原子及分子的相互作用，強烈地影響物質的巨集觀性質[9,10,11,12]。
奈米材料強度與粒徑成反比。奈米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合frank - reed模型，其臨界位錯圈的直徑比奈米晶粒粒徑要大，增殖後位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，其位錯滑移和增殖不會發生，這就是奈米晶強化效應。由於奈米材料具有大的介面，介面的原子排列相當混亂，原子在外力變形的條件下容易遷移，表現出良好的韌性與延展性。
應用奈米技術製成超細或奈米晶粒材料，其韌性、強度、硬度大幅提高。例如，氟化鈣奈米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂；呈奈米晶粒的金屬比傳統粗晶粒金屬硬3～5倍；奈米陶瓷具有良好的韌性等等。
由於介面原子排列較為混亂、原子密度低、介面原子耦合作用變弱，奈米材料的比熱和熱膨脹係數大於同類粗晶材料和非晶體材料，在儲熱材料、奈米複合材料的機械耦合效能應用方面有廣泛的應用。如cr-cr2o3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，能有效地將太陽光能轉換為熱能。固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化後熔點將顯著降低。
如常規金熔點為1337k，當顆粒尺寸減小到2 nm時熔點為600 k。
奈米材料由於其粒徑的減小，表面原子數所佔比例很大，吸附能力強，因而具有較高的化學反應活性。許多金屬奈米材料室溫下在空氣中就會被強烈氧化而燃燒，如tin奈米晶粒（平均粒徑為45 nm）在空氣中加熱即燃燒成為白色的tio2奈米晶粒。即使是耐熱、耐腐蝕的氮化物奈米材料也變得不穩定，暴露在大氣中的無機奈米材料會吸附氣體，形成吸附層，因此可以利用奈米材料的氣體吸附性製成氣敏元件，以便對不同氣體進行檢測。
巨集觀體系中均相基元反應的反應級數是由化學計量數決定的，速率常數不隨濃度和時間而改變。但是，當處於分子篩籠內反應物的運動受到諸如容器、相界、力場、溶劑等空間阻礙及影響時，反應的動力學顯示出與均相反應不同的結果。
奈米材料與奈米結構
一 課程基本資訊 課程編號 13103106 課程類別 專業核心課程 適應專業 材料物理 總學時 54學時 學分數 3學分 課程簡介 奈米技術和奈米材料科學是20世紀80年代末發展起來的新興學科。由於奈米材料具有許多傳統材料無法媲美的奇異特性和非凡的特殊功能，因此在各行各業中將有空前的應用前景，它將...
奈米材料的效能
由於奈米材料具有顯然不同於體材料和單個分子的獨特效能 體積效應 量子尺寸效應 表面介面效應和巨集觀隧道效應等及它在電子 光學 化工 陶瓷 生物和醫藥等諸多方面的重要應用而引起人們的高度重視。當顆粒的尺寸與光波的波長 傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時，晶體...
奈米材料與奈米結構複習內容 答案
1 簡單論述奈米材料的定義與分類。答 最初奈米材料是指奈米顆粒和由它們構成的奈米薄膜和固體。現在廣義 奈米材料是指在三維空間中至少有一維處在奈米尺度範圍，或由他們作為基本單元構成的材料。如果按維數，奈米材料可分為三大類 零維 指在空間三維尺度均在奈米尺度，如 奈米顆粒，原子團簇等。一維 指在空間有兩...