纳米材料科学.pdf

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1、跨世纪的新领域:纳米材料科学第六图书馆纳米材料 超微粒 界面科学(上海)张立德不详1993第六图书馆第六图书馆f 1 v 4-前 沿 张 立 德 7 0 9 唇 啻雀 堀 翰 薪 领 纳米材料科学 纳 米 材 料 是 世 纪 之 吏 国 际 学 术 界 关 注 的 热 点，在 纳 米 足 度 上 认 识 扣 改 造 世 界 使 们 的 认 识 水 平 又 上 升 到 一个 新 层 次 围 绕 这 一 领 域 的 竞 争 已经 开 始。关 键 词：纳 米 材 料 超 微 粒 界 面、，著 名 物 理 学 家、诺 贝 尔 物 理 奖 获 得 青 费 曼(Ri c h a r d F e y n m

2、a n)在 1 9 5 9年曾 说过 如果有 一天可 按 人 的 意 志 安 排 一 个 个 原 子，将 会 产 生 什 幺样 的 奇 迹?纳 术科学 技术 的诞 生，使 费曼 当年 的梦想 变 为现 实 今 天 人 们 可 以 按 自己 的 意 腼 和 需 要 制 各 和 合 成 具 有 特 殊 性 能 的 新 材 料，由 纳 米 微 粒 构 成 的纳 米 材 料 作 为钠 米 科学技 术的 重要组 成部 分，已成为世 纪之 交 人 们 关 注 的 热 点 之。钠 米 材 料 与 传 统 材 料 不 同 它 不 是 以 物 理 特 性 来 丹 类 的 而 是 构 成 纳 米 材 料 的 基

3、率 结 构 单 元 一 蚺 米 微 粒(越 微 粒 )的 尺 度 来 定 义 的。当 颗 粒 尺 寸 进 入 纳 米 缎 时 它 的 尺 度 与 物 理 特 征 长 度(电 子 的 德 布 罗意 渡 长 或 超 导 相 干 波 长)差 不 多 甚 至 吏 小 些 由这 种 微 粒 组 成 的 材 料 周 期 受 到 严 重 破 坏，其 能 级 已 不 再 像 大 块 固 体 那 样 呈 准 连 续 能 带，而 变 成 分 立 的 能 级。量 子 尺 寸效 应 使 纳 米 材 料 的 光、电 磁、声、热 及 力 学 性 质 发 生 根 本 变 化 许 多 物 理 特 性 与 尺 寸 有 戢 感

4、的依赖 关 系。倒如 金 属是 电的 良导体，纳 米态 下可能 变为绝 缘体 共价 键、无极性 的氯化 硅是典 型 的绝缘 体 纳 米 态 下 具 有 强 极 性 高 额 电 导 急 剧 上 升 陶 瓷 在 常 温 下 很 睫，而 纳 米 陶 瓷 在 室 温 下 不 但 强 度 高，且 具 有 良好 的 韧 性+原 是 疏 水 的 物 质 在 纳 米 恋 下 可 能 变 成 亲 水的 原是 P型半导 体 纳米 态下变 为 13型半 导体。物 理 特 性 随 尺 寸 变 化 是 纳 米 态 的 一 个 重 要 特 点 铁 磁 性 物 质 在 纳 米 态 下 矫 顽 力 几 乎 增 大 1 0 0

5、 0倍，但 是 当尺 寸减 小 到 5纳 米 铁 磁 性 消 失 变 为超 顺 磁 性。这 些 奇 妙 的 物 理 特 性 对 凝 聚 态 物 理 和 材 料 科 学 的 现 有 理 论 提 出 严 峻 挑 战 们 不 得 不 重 新 思 考 舟 于 宏 观 微 观 之 间 张 立 镍，研究 具，中 国科学 院固体 物理研 究所剐 所 K 台肥 2 30 0 S 1，Zh a ng Li d ePr of e s s o rDe pu t y di r e c t or o f l n s l i t u t e 0f So l i d S t a l e Phy s ic s，Ch i n

6、e Ac a d e m y o f Sc i e n c e s，H e f e i 8 纳 米 态 所 出 现 的 新 奇现 象 和 科 学 问 题。什么 是纳 米科 学技术 纳米 科学 技 术是 8 0年 代 末期 刚 雕诞 生 并正 在 崛 起 的 新 科 技 其 基 本 函 义 是 t 纳 米 尺 寸 范 围 认 识 和 改 造 自然 通 过 直 接 操 作 和 安 排 原 子、分 子 刨造 新 物 质。它 的 诞 生 使 人 们 改 造 自 然 的 能 力 直 接 延 伸 到 分 子 和 原 子，标 志着人 类的 科学技 术进 入一 个新 时代纳 米 科 拄时代，以纳 米 科技 为

7、中心 的新科技 革 命必将成 为 2 1世 纪 的 主 导。纳 米 科 技 包 括 纳 米 机 械 学、纳 米 电 子 学、纳 米 生 物 学、纳 米 材 料 学。1 9 9 0年 3月 在 美 国道 尔 基 雌 召开 世 界 上 第 一 次 纳 米 科 技 学 术 会 议，正 式 宣 布 纳 米 科 技 领 域 诞 生。短 短 几 年，这 个领 域 已取 得 日新 月 异的 新 成 果。美 国 商 用 机 器 公 司(I BM)两 名 科 学 家 利 用 扫 描 隧 道 电 子 显 微 镜(S TM)直 接 操 作 原 子，在 镍 板 上 按 自 己 的 意 志 安 排 原 子，成 功 地

8、组 合 成。I BM 宇 样，日车 科 学 家 刚 已首 趺 实 现 匣 子 三 维 空 间 立 体 搬 迁 将 硅 原 子 堆 成 一 个 金 字 塔 1 9 9 1年 I BM 的 科 学 家 迁 制 造 了 速 度 为二百 亿分 之一 的氙原子 开 关，专 家们预 计 这 一突 破 性 的 纳 米 新 科 技 研 究 工 作 将 可 能 使 美 国 国 会 图 书 馆 的 全 部 藏 书 存 储 在 一 个 直 径 仅 为 0 3米 的 硅 片 上。据 英 国 科 学 与 共 同 政 荣 杂 志 报 道 科 学 家 们 最 近 已 制 造 出 一 种 尺 寸 只 有 4纳 米 的 复 杂

9、 分 子，具 有 开”和“美 的 特 性 可 由 激 光 来驱 动，其 开 关 时 间 仅 为 3激 光 秒，为发展 激光计 机提 供 丁可能 的技 术保 证。近年 来 刚 刑发展 起来 的纳 米材料 出现 许多 传境 材料 不具备 的 奇 异 特 性，已引 起 科 学 家 的 极 大 共 趣。作 为 纳 米 科 技 的 另 一个重 要分 支纳 米生物 学 9 O年 代初崭 露头 角 其 发展 疗 来立 纳术 生物学是 在纳 米尺 度【认识 生 物 讣 精 细 结 掏 段 i功 能 的 联 系，并 在 此 接 础 上 按 自 的 盥 艇 合 成、制 j 壶凡 订 特 定 功 能 的 生 物 太

10、 于 j 4 5卷I 一 13 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆科 学 前 沿 使 生 命 科 学 的 研 究 一 十新 台 阶 纳 米 科 拄 使 基 因 工 程 变 得 更 加 可控 人 们 可 根 据 自 的 需 疆 制 造 多 种 多 样 的 生物“产 品”农、林、牧、副、渔 业 可 能 因 此 而 发 生 探 刻 变 革 娄 的 食 品 结 构 也 将 随 之 变 化 用 纳 术 生物 工 程、化 学 工 程 合 成 的”食 品”将 极 大 地 丰 富 食 品 的 数 量 和 种 类 纳 术 科 拄 的 出 现 为 解 决 人 类 由 于 人 口 迅 速 增

11、 长 所 面 临 的 刻 不 容 缓 的 问 题 提 供 新 逾 径 在 纳 米 科 技 中 一 十十分 引 人注 目的研 究方 向是纳 米机器 人 纳 米 生 物 机 器 和 纳 米 生 物 部 件、举 件 的 研 制 用 原 子 和 分 子 直 接 组 装 成 纳 米 机 器 不 但 其 速 度、效 率 比 现 有 机 器 大 大 提 高 而 且 应 用 范 围 之 广、功 能 特 殊 无 污 染 是 现 有 机 器 无 法 比拟 的 纳 米 生 物 部 件 与 纳 米 无 机 化 台 物 厦 晶体 结构 部 件相组 合用 纳米 散 电子学 控制 形成 纳米 机 器 人 尺 寸 比 人体

12、红 血 球 小 这 种 纳 米 机 器 人 盼 问 世 将 使 未 来 高 技 术 及 人类 的 压 疗 J I 业 出 现 新 的 飞 跃 许 多疑 难 病 症 将 得 到 解 决 压 生 可 以 应 用 纳 米 机 器 人 直 接 打 通 脯 血 栓 滑 出 心 脏 动 林 脂 肪 沉 积 物 也 可 以 通 过 把 多 种 功 能 纳 米 散 型 机 器 注 入 血 管 内 进 行 人 体 全 身 检 查 和 治 疗 药 物 也 可 制 成 纳 米 足 寸 直 接 注 射 到 病 变 薛 位 大 大 提 高 医 疗 效 果 井 减 少 副 作 用 目前 纳 米 科 学 技 术 正 处 于

13、 重 大 突 破 的 前 期 它 所 取 得 的 成 绩 已 经 使 人们 为 之 震 动 井 I 起 关 心 未 来 发 展 的 科 学 家 们 的 思 考 美 国 I BM 公 司 首 席 科 学 家 阿 奠 特 朗(Amo t r o n g)说。疋 像 7 0年 代散 电子技 术产 生了 信息革 命 一样 纳 米科 学技 术将 成 为下 一世纪 信 息时 代 的 桉 心。”纳米 材料 的内涵和历史 纳 米 足 寸 材 料 分 为两 十 层 次 纳 米 散 粒 和 纳 米 固 体。前 青 是 指 单 十 纳 米 尺 寸 的 超 散 粒 子(1 1 0 0纳 米)后 卉 是 由纳 米微粒

14、聚集 而成 的新 型凝聚体 它 包 括三 维 纳米块 体 和二 啦纳 米 薄膜。纳 米块状 材 料通 常 是 指 由 具 有 表 面 清 洁 度 的 粒 径 为 l 1 0 0纳 米 的 粒 子 经 高 压 形 成 的 人 工 凝 聚 体 对 纳 米 氧 化 物、氮 化 物 块 状 村 料 一 般 耍 经 过 适 当 的 烧 结 处 理 有 的 纳 卷 固 体 饲 如 纳 米 陶 瓷 经 高 压 和 烧 结 应 达 到 很 高 的 致 密 度。纳 米 固 体 与 常 规 固 体 不 同 不 是 按 物 理 性 质 定 义 的，而 是 构 成 凝 聚 体 的 散 粒 尺 寸 太 小 来 定 义

15、的 分 类 比较复 杂。按 照颗 粒存 在状 态 纳米 固体通 常可 捌分 为 纳 米晶体和 纳 米非 晶体。构 成 纳米 固体 的纳 米散 粒是 晶态 的称 为纳 米结 构 的晶体 由具 有短 程序 的非 晶态 纳 米 散 粒 组 成 的 块 状 材 料 称 为 纳 米 结 构 的 非 晶 固 体 由单 相 纳 米 散 拉 构 成 的 纳 米 材 料通 常 称 作 纳 米 相 材 料 如蚋 米 氧 化物、纳 米 氯 化 物 等；不 同 材 料 的 纳 米 触 粒或 同 棚的纳 术 微粒 掏戚 的 纳米结 构 的 固体称 为 纳 米 复 合 材 料。纳 米 微 粒 和 固 体 村 蚪 在 自然

16、 界 中 0 就 存 在 宇 宙 天 体 的 陨 石、自 然 界 的 蛋 白 质 都 是 山纳 米 微 粒 掏 成 最 近 人 们 艘 现 娄 硬兽 娄 的 牙 齿 是 由纳 米 级 育 机 物 质 纤 维构 成 此 外 浩 翰的 海洋 也是纳 米微粒 聚集 的场所。最 近 发 现 南 太 平 洋 中 纳 米 微 粒 古 世 比 亚 散 米 级 粒 子 高 3倍 研 究 海 洋 不 同 深 度 分 布 的 纳 米 微 粒 可 获 得 订|盖 生 起 _碾 的 信 息 井 有 利 于 进 一步 开 发 海 洋 资源。至 于 人 工纳 米 材 料 也 有 悠 久 的 历 史。倒 如 中 国 古 代

17、 制 造 的 染 料 r 蜡 烛 燃 烧 的 黑 烟 被 制 成 黑 等 当 时 人 们 并 擞 有 意 识 到 这 些 都 是 纳 米 材 料。l 9世 纪 6 o年 代 随 着 腔 体 化学 的 诞 生 已 经 能 罅 制 备 纳 米缎 的 瞪 悻 粒 子 但 对 这 种 纳 米 散 拉 的 特 性 和 结 构 缺 乏 探 八 研 究 真 正 对 分 离 的 纳 米 粒 子 进 行 系 统 研 兜 始 于 2 0世 纪 6 o年 代。1 9 6 3年 日奉右 古 屋大 学教 授 上 旺 卜 良二(R Vy e d a)首 先 用 蒸 发 冷 凝 法 获 得 清 洁 表 面 的 盘 属 纳

18、米 粒 子 并 用 高 分 辨 连 音|电镜 对 纳 米 粒 子 的 形 貌、结 构 进 行 乐境 研 究。第 一 十 人工 纳 米 凝 聚 体(纳 米 纯 金 属 cu，P、AR、F e)是 由锚国 萨尔 大学 格幕特(H Gl e l t e r 教 授锈 导 的研 究 小组在 1 9 8 4年 首先 研制成 功 的。1 9 8 7年 美 国阿 贡实验 室西 格 尔(S i e g 1)博士 研制成 功纳 米 Ti O，村 料 他“】均 采 用 在 惰 性 气 体 中 燕 发、凝 聚 方 法 获 得 纳 米 粒 子，并 在 真 空 下 收 枭、原 位 加 压，形 成 具 有 清 洁 界 面

19、 的纳 米 固体。B o年 代末 包 括纳 米合 金、陶 瓷离子 晶 体 和 半 导 体 等 人 工 纳 米 固 体 材 料 相 维 问 世。超微粒子 超 微 粒 子 通 常 也 称 为 纳 米 粒 子 它 的 足 度 大 干 原 子 团 螓(Cl u s t e r)小 于 通 常 的 散 粉(f i n e p a r t i c l e)一 般 在 1 1 0 0纳 米 之 间 这 是 一 般 显 微 镜 看 不 见的 散 粒。血 液 中 的 红 血 球 大 小 为 6 0 0 0 9 0 0 0纳 米 一 般 细 菌(例 如-大 晡杆菌)长度 为 2 0 0 0 3 0 0 0纳米 引

20、起 人体 发 病 的病 毒足寸 一 般 为几十 纳 米 因此 纳米 散粒 的尺 寸 比红 血球 小 1 0 0倍 比细 菌小几 十倍 与病 毒大 小相 当或略 小些。如此 小的 粒子 只能 用高 倍 的 电子 显 散镜 观 察。所 以 上 田 良 二 教 授 有 一 十 定 义 用 电 子 显 散 镜(TE M)艟看 到的 散粒 称为纳 米微 粒 大 多数 纳水 粒子呈 现为理 想单 晶 尺寸增 大到 6 0 纳 米 左 右-如 在 Ni Cu粒 子 中 观 察 到 孪 晶 界 层 错、位 错 及亚 稳相 存在 也 有呈 非 晶态 或 各种亚 稳相 的纳 米 粒 子 纳 米 粒 子 的 表 面

21、 层 结 构 不 同 于 内 部 完 整 的 结 构 在 粒子 内部 原子 间距 比堍 村 小 纳 米 粒 子 只 包 古 有 限 数 目 的 晶 瞻 不 再 具 有 周 期 性 的 条 件-其 表 面 振 动 模 式 占 有 较 大 比 重 表 面 原 亍 二 的 热 运 动 比 部 原 子 激 烈 表 面 原 于能 嫩一 艘 为 内 部 原 F能 的 1 5 2倍 德拜 温 度 哺 粒子半 径 减 小1 酊下 降 高 龋 声 l 4 科 学(敢 月刊)维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆科 学 前 沿 纳 米 微 粒 的 电 于 能 域 结 构 大 块 围 体 l不

22、同 是 由 于 电 中性 和 电子 运 动 量 束 缚 等 原 因 所 致。当 小 粒 子 尺 寸 进 入 纳 米 量 级 时 其 车 身 和 由它 构 成 的 纳 米 固 体 具 有 如 下 四 十 方 面 效 应 并 由 此 碱 生 出 传 统 固 体 不 具 备 的 许 多 特 殊 性 质 小 足寸 姓 应 当 超 细 微 粒 的 尺 寸 与 光 波 1成长、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 周 期 性 的 边 界 条件 将 被 破 坏 声、光、电 磁、热 力 学 等 特 性 均 会 呈 现 新 的 小 足 中效

23、 应。倒 如 光 吸 收 显 著 增 加 井 产 生 吸 收 峰 的 等 离 干 共 振 频 移 磁 有 序 奄 向 磁 无 序 态，超 导 相 向正 常 相 的 转 变 声 f谱 发 生 改 变 人 们 曾 用 装 配 电 视 录 象 的 高 倍 率 电 子 显 微 镜 对 超 细 金 颗 粒(2纳 米)的 结 构 非 稳 定 性 进 行 观察 实时地 记录 瓤粒形 态在 观察 中的妾 化 发现 释粒 开 三 态 可 以 在 单 晶 与 多 晶、孪 晶 之 间 进 行 连 续 地 转 变 这 与通常 的熔 化棚 变不 同 并提 出 了准熔 化相 的概 念。纳 朱微粒 的这些 小尺 寸效 应为

24、 实用 技术 开拓 了新领 域 例 如 纳 米 尺 度 的 强 磁 性 颗 粒(Fe Co台 叠、氧 化 铁 等)，当 颗 粒 R 寸 为单 磁 畸 临 界 尺 寸 时 县 有 甚 高 的 矫 顽力 可 制成磁性 信 用卡、磁性 钥匙、醴性 车 票等 还 可 以制成 磁性 液 体 广琵地 用f 电声器 件、阻 尼器 件、旋 转密封、润 滑、选 矿荨 顿域 纳米 触粒的熔 点 可“远低 干 块 状 金 属 倒 如 2纳 米 的 金 颗 粒 熔 点 为 6 0 0开 块 状 金 为 1 3 3 7开 纳 米银粉熔 点 可埠低 到 1 0 0；C 此特性 为 粉末情 金工业提 供 r新工 艺 利用等

25、 离子 共振 额率 随 颗 粒尺寸 变化 的性 质，可 以政变 颗粒尺寸 控制 暖收边 的 位 移，制 造 具 有 一 定 频 宽 的 微 波 吸 收 纳 米 材 料 用 于 电磁 波屏蔽、隐形 飞机等。杠 面与乔 面托应纳 米散 粒尺 寸小 表面大 位 于 表 面 的 原 子 占 相 当大 的 比倒 随 粒 径 减 小 表 面 积 急 剧 变大 引起表 面原子 教迅速 增加。倒如 粒 径 为 1 0纳米 时 比表面积 为 0 0米。克 粒径为 5纳 米时、比表 面 积 为 1 8 0米 0 克 粒 径，J、到 2纳 米 时+比 表 面 积 猛 增 到 4 5 O_米 克。选 样 高 的 比表

26、 面 使 处 于 表 面的 原 f 教 越 来 越 多 大 大 增 强 r纳 米 粒 予 的 活 性。倒 如 金 属 的 纳 米 粒 子 在 空 气 中 会燃 烧 无 机 材 料 的 纳 l米 粒 子 繇 露在大 气 中会吸 附气体 井 与气体进 行 反应。表 面粒子 活 性 高 的 原 闲 在 于 缺 少 近 邻 配 位 的 表 面 原 子 搬 不 稳 定 很容 易与其 他腺千 结合。这种 丧面原 的 i 占 性 不但 l 起纳 米粒 于表 面原 于车 蠢 运 干 盯 构 型的 坐化 同时 也 引 起 表 面 电子 自旋 掏 象 干 盯电 子 隧 讲 的 变 化。l A 一一B o D O

27、0 O O O 一 O O O O o O O。O O O O O O O O 一 图 1 将采取单 立方品格结构的原 产 尽能以接近圆(或球)形 进 行配 置 的超 微粒模 式 圈。萁 中 为能 级间距 为 赞米能域 为总 电子 教 宏 观 物 体 包 含 无 限 十 原 子(即 所 含 电 子 救 一。)于 是 一0 即丈粒子 或 密现物体 的能级 间距几 乎 为 而纳 米微粒 包含 原子 数有限 一 值 很小 导致 a有一 定的 值 即能 级问距 麓生 舒裂 块状 金属的 电子 能谱 为准连 续 能带 而 当颗 粒中所 含原子数 随尺 寸哺 小而降低 时 费朱 能 级 附近 的 电 于

28、能 级 将 由准 连 续 态 分 裂 为分 立 能 级 能 级 的 平 均 f f 玎距 与 鞭 粒 中 自 由 电 子 的 总 教 成 反 比。当 能 级 间 距 大 干 热 能、磁 能、降 磁 能、静 电 能、光 子 能量或 超导 态的凝聚 能时 必 须考虑 量子效 应，造 就导 致纳米微 粒磁、光、声、热、电以及超导 电性 与宏观特性 显著不 同 称为量子 R寸 效应 例如 颗粒的磁 化率、比 热 与 所 含 电 子 的 奇 稍 性 有 关 会 产 生 光 谱 线 的 额 移、介 电常救 的变 化等。近 年来 人们还 发现 纳 米微粒在 含有 奇数或 偶数 电子 时、l娃示出 不同的 倦

29、化性质。：进 三 十 效 应 是 纳 米微 粒 与 纳 米固 体 的 基 本 特 性。它 使 纳 米 微 粒 和 纳 米 同 悼 呈 现 出 许 多 奇 异 的 物 理、化 学 性 质，出 现 反 常 现 象。例 如 金 属 为导 体 但 纳 米 金 属 微 粒 在 低 温 下 由 于 量 子 尺 寸 效 应 会 呈 现 电 绝 缘性 般 P b Ti()、B a Ti()j 和 S r T i O 等挹 典型棱 电 体 但当其尺 寸进 入纳米 救世级 就会 变成崩 电悻 牲 磁 性 的 物 质 进 入纳 米 级(约 5纳 米)由于 由 多 磁 畸 变 成 单 磁畴 示 出极 强 的顺磁 效应

30、 当粒径 为十 几纳 米的 氯化硅 微粒组 成纳 术陶 瓷时，已 ：具 有 典 型共 竹键 特 l 囡 O o O 0 O O O O O 0 0 o 0 o 0 0 o 0 O 0 0 0 O o o 0 0 0 0 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆科 学 前 沿 体 在 较 宽 谱 范 围 显 示 出 对 光 的 均 匀 吸 收 性 t纳 米 复 台 多 层 膜 在 7 l 7吉 赫 频 率 的 吸 收 峰 高 达 1 4分 贝，在 1 c 一 分 贝 水 平 的 吸 收 额 宽 为 2吉 赫 颗 粒 为 6纳 米 的 铁 晶 体，其 断 裂 强 度 较 之 多

31、晶 铁 提 高 1 2倍 纳 米 铜 晶 体 自 扩 散 是 传 统 晶 体 的1 0 至 1 O”倍，是 晶 界 扩 散 的 1 O 倍 纳米金 属铜 比热是 传统纯 铜的 2倍 纳米 固体铅 热 嘭 胀 提 高 1倍；纳 米 银 晶 体 作 为 稀 释 致 冷 机 的 热 交 换 器 效 率 较 传 统 材 料 高 3 0 纳 米 磁 性 金 属 的 磁 化 率 是 普 通 金 属 的 2 0倍 而 饱 和 磁 矩 是 普 通 金 属 的 12。纳 米 微 粒 的 制 备 方 法 可 分 为 物 理、化 学 和 综 合 方 法，关 键 是 控 制 颗 粒 大 小 和 获 得 较 窄 的 颗

32、 粒 度 分 布 纳米固体的结构和特性 由 纳 米 微 粒 压 制 烧 结 而 成 的 三 维 物 件 称 为 纳 米 固 体，从 结 构 上 来 说 它是 由 两 种 组 元 构 成-即 颗 粒 组 元 和 界 面 组 元，其 中 颗 粒 可 是 品 卷、非 晶 态 或 准 晶 态。由 于顸 粒尺 寸小，界面组 元 占据 丁可 以与 颗粒 组 元相 比 拟 的 体 积 百 分 数。传 统 及 粗 晶 晶体(晶 粒 尺 寸约1微 米)，晶 界 的 体 _枳 百 分 数 约 占 总体 积 的 0 3 ，纳 米 固体 材 料 界 面 体 积 总 体 积 的 6 O 1 5 (粒 径 5 2 O纳

33、米)，庞 大 比倒 的 界 面 组 元，已 不 能 简单 地 看 作 是 一 种 “面缺 陷，它 已 成 为 纳 固体 的 结 构 构 成，印 纳 米 固体 的结 构 构 成 由 颗 粒 组 元 和 界 面 组 元 两 十 部 分 组 成。关 于纳米 固体 界面的状 态、原子 排列、键 台特 征(纳 米相材 料)近年 来 国际上 已有一些 研究。格莱特 等 人用 x光衍 射、TEM 高分 辨技 术，穆斯堡 尔谱 和正 电 子湮灭 寿 命谱对 6纳 米的纯 铁 纳 米固体 的 界面结构进 行 系 统 研 究 提 出 了 纳 米 晶 体 界 面是 类 气 志 结 构，它 不 同 于长 程 有 序

34、的 晶 态，也 同 于 短 程 有 序 的 非 晶 态，是 处 于 一 种 无 序 程 度 更 高 的 状 态。最 近，美 国 俄 亥 俄 州 大 学 有 、用 高分 辨 TE M 对 铜的 纳 米晶 体进 行观 察，得 出 不 同结 论 认为 纳 米 固 体界 面 是 非晶 娄(a mo r nh o u s i ke)的 短 程 序 结 构 美 国 加 利 福 尼 亚 大 学 托 尼煮(To ni a o n)提 出纳 米 固体 界 面 状 态 含 有 大 量 缺 陷，可 以用大 角度一 般 晶界进行描 述。日本东 京大 学生 产 技 术 研 究 所 石 田洋 一(1 s hi d a)用

35、 超 高 压 高 分 辨 电镜 对 纳 米 P 8进 行 观 察 提 出 纳 米 固 体 界 面结 构 是 十 分 复 杂 的 存 在 小 角 晶 界 及 孪 晶 各 个 界 面 结 构 存 在 着 差 异，他 认 为 纳 米 固体 的 界 面 是 一 种 短 程 序 结 构，而 不 是 类 气 态 的。利 用 激 光 诱 导 化学 气 相 沉 积(I I CVD)制 取 纳 米 微 粒 l 5纳 米)，压 制 烧 结 成 纳 米 非 品 氮 化 硅 固 体 结 构 通 过 x 光 径 向分 布 函 数(XRDF)、电 子 自旋 井 振(E S R)、红 外吸 收光 谱和 康瞢顿 轮脚 实验

36、等 一 乐列 研 究 结 果 表 明 纳 水 苍 氯 化 硅 酬 J：口 一 S i N 和 B S i N 也 与 非 晶 氯 化 硅 订 别 在 占 j 0 2()的 界丽 区 域 包 含 很 多 配 位 散 ：全 的 饱 和 键 干 】怂 铋，排 列 混 图 2粒径 d与能级 间隔 e的 关系 乱 空隙较 多 界面 的键结 构存 在与 氰化硅颗 粒 内短 程 序 不 同 的 短 程 结 构 界 面 中 低 动 量 电 子 数 量 多-这 些 结 果 都 说 明 了纳 米 态 氯 化 硅 不是 舆 型 共 价 键 结 掏。总 之-对 纳 米 固体 界 面 原 子 排 列 如 何 描 述，目

37、前 尚无 统 的 看 法，界面 原 子 状 态 仍 然 是 未 解 决 的 问 题 有 持 潭 八 研 究。纳 米 固体材料 表现 出与单 晶 粗晶、多晶和非 晶不 同 的 性 能，其 中 某 些 性 能，已弓f 起 材 料 科 学 界 的 高 度 重 视。纳 束 陶 瓷 和 纳 柬 离 子 晶 体 的 增 韧 1 9 8 7年 德 国 和 美 国同 时报 道制 备 成功 具 有 清洁 界面 的 纳 米 陶 瓷 Ti O(1 2纳 米)比 单 晶和 粗 晶(微 米 晶 粒 度)的 Ti t)：陶 瓷 具 有 更 好 的 形 变 性 能 和 断 裂 韧 性，在 1 8 0C可 经 受 弯 血 形

38、 变 而 不 产 生 裂 纹 带 裂 纹 Ti O 纳 米 街 瓷 能 经 受 一定 程 度 的 弯 血 而 裂 纹 扩 展(在 同 样 条 件 下 Ti O 单 晶 发 生 破 裂)，与 粒 度 为 1 3微 米 的 Ti O 街 瓷 相 比 得 到 相 同硬 度 的 烧 结 温 度 低 4 0 0C J=述 结 果 在 材 料 界 引 起 震 动，著 名 英 国 材 料 科 学 家 卡 恩(RW Ca h n)称 其 为 解 街 瓷 脆 性 的 一 十 战 略 性 途 径 这 是纳 米 村 料 最 为暇 弓 I 、的一 十重要 成果。格 莱特 提出#增 韧机树 为 扩 散 蠕 变。美 国

39、在 大 力 开 展 纳 米 陶 瓷 的 研 究。1 9 8 7年 德 国 还 观 察 到 纳 米 离 于 晶 体 Ca F：也 具 有 很 好 的 范 性 形 娈 性 能 奇 特 磁 性 在 纳 米 金 属 和 台 盘 中 观 察 到 与 单 晶、多 品 和 非 晶 不 州 的性 能 有 的 已讦 蛤 进 行 应 用 研 究 纳 求 金 属 F e(8纳 求)饱 和 磁 化 率 比 一 F 低 4 0 比纳 米 Ni(7纳 米)的 j|温 度 低 4 0(纳 米 E r(1 n 7 0纳 米)低 黼 时 转 变 顺 磁 性：；纳 术 F -F (1 n纳 水)7 8 8 8圩 顺磁 转 业 山

40、 J 正性 磁 比 r FL一 n 转 变 悭 I K mJ(2)凡 多。9 8 8 I J j _堆 馒 纳 水 台 盒 s 科 学(矾 月 U 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆科 学 前 沿 【u(2 0 纳米)宙好 的辑磁性 能 可 作高 颖转 换 器 蕊 耗 低 2()()-毫 砸 米 订 教 磁 导 率 高 F 1 当 l 粒 应 凡 1 0 0纳 米 时 f 进 的 轴 磷 性 能 消 失。纳 米 磁 性 嚼 的 磁 比 笨路 酱 通 金 的 2 0倍 而 饱 和磁矩 是普 通金 辐的 1 2。传 统材 荦 斗 磁 化率与温 度 的 关 最遵 循 聘 一

41、外斯 定律，纳米 同体 的 K寸教 应使 磁 化率遵 帆 4：同的温 度 规律 日与颗牲 包含 的 电子 数 的 奇偶 有关 咆 敌 为奇 的粒 f集合的 磁化率 与 d 成 比 电 子数 偶 的 系统磁 化率 与粒径平 方(d：)成 正 比。高扩 散 性纳 米 金 Cu(8纳 水)的 自 扩 散 最 统 比 点 阵扩 散 系 数 高 1 4 2 0十 级 比 多 晶 晶 界 扩 散 系 数 高 2 4十直 缎 高 溶 质 溶 悍 度 细 氲 在 纳 术 Pd 中 的 溶 解 度 比在 单 晶 中的瞎 解度 高 1 o 1 0 0倍 从 而可将 在相 图中互 不相格 的元 素结 合成 新型纳

42、l米台 金 高 比 热 和 热 膨 胀纳 求嗣 体(盘 旌)比热 是 传 统 金 属 的 2倍 热 膨胀提 高 2竹 蚋 米银 晶体 怍为稀释 致净 帆 的热 交撬器 嫂率鞍 传统 材料高 3 o 光嗄 收l纳 米固体 在较 竟谱 范围 显示 出均匀 吸收 性，几十纳 米的 膜相 当于 几 十嗽术 厚的 现有 嗳渡 材料 的 嫂皋，可 掣据高 战略 导弹的 实战能 力。此外，纳 术厨 体还 具 有高强度 和 高硬 度性 能 利用 不同的 制 备条件 还 可能 创造 出许 多特 异性 能的 纳术 固体 材料 纳 米固 体韵 这 些奇 异特性 根 难用 现 有 的晶毒、非 晶态 的传统理 论进 行

43、解释。因此 研 究 这 些材 料的特性 与结 构关 系十 分重 要 纳米材私I 的应用 在催忆 方面 的应 用 催 化是 指物 体表 面部 分形 成 有救 潘化 中心，提 高反 应嫂率，选 择反应路 轻 纳 米 微 粒 表面有 效反 应中心 多，这就 为纳 米粒子 做僵 化 荆提 供 了必要 蕞件 目前 用纳 术 微粒进 行 催化厦 应有 三种 类 型 直接 用纳皋 微粒 铂黑 银、A1 ；和 等 在高 分 子高聚 物 氯化 还 原及 合成反 应中做 倍化 剂，提 高反 应效率 控制 反应速 度和温 度 I 把 纳米 嗽粒掺 台刊发 动 机的 液体 和气 悻燃料 中 提高 教率 I 在火箭 厨

44、体燃 料 中掺 台铝 的纳 米嗽粒，可提 高燃烧 嫂率 若干倍 在磁 记 录上 的应 用 记 录材 科高性 艟 化和记 录 高密 度化是 信息社 会的需 求。倒 如 每 1 平 方厦 米需 娶 记录 1 0 0 0万 杀以 上的信 息 这 就要求 每杀 信息记录 在 几个 乎方微 米 甚至更 小的面 积 内 在几平 方赦 米的 记 泉范 围内 至 步有 3 0 0十阶段 分层 次记录-这就 要求 在 几乎 方微 米内有 3 0 0个记 录单元 纳米微 粒 为这种 高 密 度记录提 供有 年 l 条 件。鼓 性 蚋 米微粒 由于 尺寸 小 一 再 有 单磁畸 结构 和矫 _梗 力根高 的特性 用

45、它 审|怍 磁记 录 材料 叮以提 高倍 噪 比 改 善 图象 质量 日本 桧下 电器公 司 已制成蚋 水域 微粉录 象带，它 有图象清 晰、信 噪 比 高 失 小 的 优 点 在 传 感 器 上 的 应 用 纳 l米 微 粒 是 应 用 于 传 感 器 最 育 触 赶 的 材 料。由 f它 们 表 面 太 对 外 界 环 境 细 温 度 光、湿 懂 等 十 仆 敏 感。外 界环 境 的 改 变 会 迅 速 引 起 表 面 离 ff f 态和 电子运 输的变 化 其持 点是 响应速度快、灵 敏 度离。8 0年 代韧 口率橙 r 电 器公 司阿布等 凡用 蒸 发 的 古 法 成 功 地 研 制

46、出 纳 米 S n()，传 感 器 通 过 控 制 真 空 崖 堆 实 现 多 功 能 该 种 传 感 器 具 有 良好 的 选 择 性 在 6 6 7帕氧气 中 制取 的 S n O 2 纳 米 膜对 H)十分 敏感 而 对 肆 丁 烷 不 显 示 灵 敏 度。在时 6 6 7帕 氧 气 氛 下 耐 戚 的 Sn O 纳 米 膜 却 只 对 异 丁 烷 快 速 响 应。利 用 纳 米 Ni()F e O、c 0()C o AL o 和 s i c 的载体温 度效应 号【起 电J；l=l 变 f t 可制成 温度 传感器(温 度计、热辐 射计)利用 纳米 L i Nh()I i Ti()，P

47、Z T和 S r Ti()|的 热 电 效 应-可 制成红 外脸涮 传感 器 l 利 用纳 米 Z n O S n O 和 7 一 F e J)的 半 导 体 性 质，可 树 成 氧教 传 感 暑 莘 纳 术 Ti()，、c0()、Mg()j 王可 用 于 汽 车 捧 气 传 感 器。在 医学 生特 工程 上 的应 用 由于纳 米粒子 比红 血 球 小得 多 可 在 血 液 中 自 由运 动，因 此 可 以 注 各 种 纳米粒 子到 人体 各部 位，检 查病 变和 进 行治疗。此 外甩纳 米 S i O，微粒 可进 行细 胞分离 用垒的 纳术微 粒 能 进 行定 位 精 变 治 疗 减 少 副

48、 作 用 等。、：_ ，#：，：#：；j菇；、篓 守 0 0；囊 ：，J-I 1 1 o 亿次巨掣 算机 j 据 科技 日报 1 9 9 2年 1 1月 2 o日报遭，国家 七 五 计捌 重点 科 研攻 关项 目银 河一 I l l O亿趺 巨型计 抖机 在长抄 国 防科 技大学 通过 国家 鉴定。专家 鉴定委 员会一致认 为 t 银 河一 I I巨查计算 机 系统填补 丁我 国通 用并 行计 机 的空 白标志着 我国 巨型机技 术有 了新 的重 大进 步 为我国 国民经济 建设和 科学技 术的 发展 做 出 丁贡献。银 河一 I l 计 钟：机 系统 为共 享 主 存紧辆 合四处 理机 系统结 柑，主额 5 o兆赫 基 本字 长 6 4位，主存 容量 2 5 6 兆 比特，拥 有 2个独立 的输 辅 出子 系统 能进 行 每 秒 1 0亿敬 以上 的运 弗操 作 目前世 界上 只有 少数 几 个 麓 达 国 家 掌 握 了 研 耐 巨 型 计 抖 机 技 术。专 家 鉴 定 委 员 会 认 为 具 有 联 网能 力 的 银 河 一 I】巨 型机 睚适 合于 作 为超级计 竹机 中心的主 机 又适 台 于 作 为太规 模数据 娅理 的中心 娅理机 具有广 泛的应 用 领 域(柯雪)4 5卷 I期 ；r；维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆