納米材料基礎(chǔ)

參考書：[1]張立德.納米材料和納米結(jié)構(gòu),化學(xué)工業(yè)出版社,2002.[2]劉吉平,郝向陽(yáng).納米科學(xué)與技術(shù).科學(xué)出版社,2003.[3]徐國(guó)財(cái).納米復(fù)合材料，化學(xué)工業(yè)出版社,2002.[4]成會(huì)明.納米碳管制備、結(jié)構(gòu)、物性及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社,2002.[5]黃惠忠.納米材料分析,化學(xué)工業(yè)出版社,2003.[6]張志焜，崔作林.納米技術(shù)與納米材料，國(guó)防工業(yè)出版社，2001.[7]張玉龍，李長(zhǎng)德.納米技術(shù)與納米塑料中國(guó)輕工業(yè)出版社，2002.第1章納米材料與納米技術(shù)概述引言自然界中的納米結(jié)構(gòu)1.1納米材料與納米技術(shù)的定義及戰(zhàn)略地位1.2物質(zhì)觀的演進(jìn)歷史1.3納米材料分類1.4納米材料的結(jié)構(gòu)特性1.5納米材料對(duì)材料性能的影響簡(jiǎn)介自然界中的納米現(xiàn)象—出淤泥而不染－連花效應(yīng)之前大家都認(rèn)為是因?yàn)楹扇~表面有蠟質(zhì)，可以防止水珠沾黏。

兩位德國(guó)科學(xué)家的長(zhǎng)期觀察研究即上世紀(jì)九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。（讀者有興趣可參見附錄）。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到在荷葉葉面上布滿著一個(gè)挨一個(gè)隆起的"小山包"它上面長(zhǎng)滿絨毛在"山包"頂又長(zhǎng)出一個(gè)饅頭狀的"碉堡"凸頂。因此在"山包"間的凹陷部份充滿著空氣這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄只有納米級(jí)厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上后隔著一層極薄的空氣只能同葉面上"山包"的凸頂形成幾個(gè)點(diǎn)接觸。雨點(diǎn)在自身的表面張力作用下形成球狀水球在滾動(dòng)中吸附灰塵并滾出葉面這就是"荷葉效應(yīng)"能自潔葉面的奧妙所在。研究表明這種具有自潔效應(yīng)的表面超微納米結(jié)構(gòu)形貌不僅存在于荷葉中也普遍存在于其它植物中。某些動(dòng)物的皮毛中也存在這種結(jié)構(gòu)。其實(shí)植物葉面的這種復(fù)雜的超微納米結(jié)構(gòu)不僅有利于自潔還有利于防止對(duì)大量漂浮在大氣中的各種有害的細(xì)菌和真菌對(duì)植物的侵害。另外更重要的是為了提高葉面吸收陽(yáng)光的效率進(jìn)而提高葉面葉綠體的光合作用。這種自然界的造化是生物界經(jīng)過億年的適應(yīng)性和變異性的自然選擇、遺傳進(jìn)化而來的。我們的科學(xué)家從事納米科學(xué)技術(shù)的研究的靈感很大的成份上來源于對(duì)這種自然造化的感應(yīng)和啟發(fā)。仿生材料的應(yīng)用----自清潔功效攀巖走壁的勇士－壁虎神功大家總認(rèn)為壁虎能吸附在墻上，是因?yàn)樗哪_上有強(qiáng)力吸盤！納米級(jí)陣列剛毛（像纖維）

納米生產(chǎn)工藝特別是金子“納米點(diǎn)狀物”的制備不是什么新的事物。中世紀(jì)和維多利亞時(shí)代教堂里五彩斑讕的玻璃窗戶上就可以看到各種色彩；古代的陶器上涂有不同彩釉都是依據(jù)材料的納米尺度性能不同于宏觀尺度的性能。特別是納米金粉根據(jù)尺度不同會(huì)呈現(xiàn)出桔黃、紫色、紅色或黛綠色。在某種意義上講第一個(gè)納米工藝師實(shí)際上是中世紀(jì)的鍛造爐前的玻璃工藝師而不是現(xiàn)代半導(dǎo)體廠的靈巧的工人。顯然上釉工人并不理解為什么他們對(duì)金子的處理會(huì)使金子呈現(xiàn)不同的顏色但我們現(xiàn)在已十分清楚其中的奧妙。有此可知，納米是一個(gè)極小的尺寸，但它代表了人們認(rèn)識(shí)上的一個(gè)新的層次，從微米進(jìn)入到納米。納米（nanometer）納米與米、分米、厘米和毫米一樣，是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為nm。１nm=10-3μm=10-6mm=10-9m，在原子物理中還常用埃作單位（?

），１?

＝10-10m，所以１nm=10?

。氫原子的直徑為1?

，所以1nm等于10個(gè)緊挨成一條線的氫原子長(zhǎng)度。若用1nm的顆粒、乒乓球和地球進(jìn)行形象地形容，則：1nm顆粒乒乓球1.1納米材料和納米技術(shù)的定義納米材料是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的高新技術(shù)產(chǎn)物。他的迅猛發(fā)展將在21世紀(jì)促使基輔所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生一場(chǎng)革命性的變化。?人類研究的物質(zhì)世界的最大尺度1025m（約10億光年）最小尺度10-19m（0.1阿米）。原子的直徑為0.1-0.3nm。所謂納米微粒材料是指尺度介于原子簇(cluster）和塊體材料之間通常泛指1-100nm范圍內(nèi)或尺寸小于100nm的具有特殊性能的微小固體顆粒。包括金屬、非金屬、有機(jī)、無機(jī)和生物等多種顆粒材料。?所謂納米技術(shù)是指在0.1-100納米的尺度里研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新技術(shù)?？茖W(xué)家們?cè)谘芯课镔|(zhì)構(gòu)成的過程中發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)原子或分子顯著地表現(xiàn)出許多新的特性而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)就稱為納米技術(shù)。。納米材料:在納米量級(jí)（0.1~100nm）內(nèi)調(diào)控物質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的具有特異性能的新材料。廣義上講，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。迄今為止的研究狀況看關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念。第一種是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化從而可以任意組合所有種類的分子可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)未取得重大進(jìn)展。

第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù)也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即便發(fā)展下去從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度。這是因?yàn)槿绻央娐返木€幅變小將使構(gòu)成電路的絕緣膜的為得極薄這樣將破壞絕緣效果。此外還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問題。為了解決這些問題研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。

第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。

納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)研究的是以控制單個(gè)原子、分子來實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定的功能是利用電子的波動(dòng)性來工作的；而微電子技術(shù)則主要通過控制電子群體來實(shí)現(xiàn)其功能是利用電子的粒子性來工作的。人們研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微觀世界的有效控制。納米技術(shù)是一門以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)（量子力學(xué)、分子生物學(xué)等）和現(xiàn)代技術(shù)（微電子學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高分辨顯微技術(shù)、核分析技術(shù)等）結(jié)合的產(chǎn)物。納米技術(shù)在不斷滲透到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域的同時(shí)形成了許許多多的與納米技術(shù)相關(guān)的新興學(xué)科如納米醫(yī)學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)等。納米技術(shù)的戰(zhàn)略地位21世紀(jì)前20年，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期，納米技術(shù)將成為第5次推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。目前，納米技術(shù)已經(jīng)成為全世界非常關(guān)注的技術(shù)，納電子代替微電子，納加工代替微加工，納米材料代替微米材料，納米生物技術(shù)代替微米尺度的生物技術(shù)，這已是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律。只有認(rèn)識(shí)它、發(fā)展它，才有可能在未來經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的格局中。1．從信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，計(jì)算機(jī)技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始，每5—7年都有一個(gè)大變化。一是每18個(gè)月單位面積存儲(chǔ)信息量要增加一倍，而且價(jià)格更便宜；二是計(jì)算機(jī)每隔5—7年尺寸要縮小10倍，價(jià)格便宜10倍，同時(shí)計(jì)算的速度提高10倍。1998年，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)率先研制出量子磁盤，已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，2005年將創(chuàng)造400億的產(chǎn)值。一個(gè)量子磁盤只有100納米大小，完全是納米陣列，它的存儲(chǔ)密度是465G，相當(dāng)于1011，我們現(xiàn)在磁盤是106，一個(gè)量子磁盤相當(dāng)于我們現(xiàn)在的磁盤10萬個(gè)到100萬個(gè)。這樣一個(gè)器件，就要用納米材料，在納米尺度內(nèi)加工。之所以把納米技術(shù)稱為21世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)，主要是基于以下幾個(gè)方面：2．從生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，在人類測(cè)定出基因組排序以后，我們對(duì)遺傳疾病、疑難病癥又有了新的認(rèn)識(shí)，而且利用基因排序，可以進(jìn)行醫(yī)藥、醫(yī)療方面的研究。目前，基因芯片研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，生物芯片組裝就是用納米技術(shù)，而生物酶也是納米尺度，這些研究對(duì)象是納米生物學(xué)研究?jī)?nèi)涵之一，下一步生物技術(shù)的發(fā)展，就要和納米技術(shù)相結(jié)合。譬如為什么病毒頑固，現(xiàn)在沒有一種藥物能治療，就因?yàn)樗浅Ｐ?，用納米結(jié)構(gòu)組裝一種尋找病毒的藥物后，艾滋病、病毒性感冒等都可以治療，2003年以后這將成為又一個(gè)研究熱點(diǎn)。生物技術(shù)，包括生物制藥等相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用納米技術(shù)已是刻不容緩。3．從下一次工業(yè)革命的特點(diǎn)來看，節(jié)約資源、節(jié)約能源、凈化環(huán)境是下一次工業(yè)革命的必然趨勢(shì)。在下一次工業(yè)革命中要想節(jié)約資源、能源，就要用納米尺度的材料做成器件，它的特點(diǎn)是工具小、節(jié)省材料、能耗低。納米技術(shù)在新的工業(yè)革命當(dāng)中將發(fā)揮重要的作用。4．從納米產(chǎn)業(yè)未來的市場(chǎng)發(fā)展來看，世界各國(guó)正在紛紛搶占納米產(chǎn)業(yè)這個(gè)巨大的市場(chǎng)。今年1月18日，國(guó)家納米科技協(xié)調(diào)指導(dǎo)委員會(huì)成立，組織專家起草了中國(guó)納米科技發(fā)展綱要?！毒V要》提出：除了支持現(xiàn)有項(xiàng)目外，還要開展若干個(gè)納米專項(xiàng)研究，建立兩個(gè)技術(shù)平臺(tái)、若干個(gè)核心實(shí)驗(yàn)室，要在全國(guó)布局若干個(gè)納米技術(shù)工程示范中心，建立若干個(gè)示范產(chǎn)業(yè)，而且要輻射若干個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)。1.2物質(zhì)觀的演進(jìn)歷史物質(zhì)是什么組成的是一個(gè)古老而又不衰的科學(xué)命題。人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)一直從微觀和宏觀兩個(gè)層次進(jìn)行孜孜不倦地探索研究創(chuàng)造出現(xiàn)代物質(zhì)文明和精神文明隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展和理論的不斷創(chuàng)新特別是上個(gè)世紀(jì)三十年代以后人們?cè)絹碓礁械絻H用傳統(tǒng)微觀和宏觀兩個(gè)尺寸去研究物質(zhì)世界顯然力不從心缺少精致性和準(zhǔn)確性。自從上世紀(jì)初科學(xué)界提出量子力學(xué)和相對(duì)論以后人類對(duì)物質(zhì)世界的觀察、研究和科學(xué)實(shí)踐從微觀和宏觀兩個(gè)方面的研究獲得了巨大的進(jìn)展?？臻g尺度的劃分宇觀(Cosmoscopic)遙觀(Remotesensoscopic)宏觀(Macroscopic)顯微觀(Optico-microscopic)介觀(Mesoscopic)

或納米觀(Nanoscopic):0.1~100nm微觀(Microscopic)皮米觀(Picosopic)飛米觀(Fentoscopic)亞飛米觀(Subfentoscopic)10-1010-710-4米微米納米宏觀體系微觀體系介觀體系光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡粉體超細(xì)顆粒納米顆粒原子分子團(tuán)廣義超微顆粒尺度與材料

Macro-system：眼睛可以看到的物質(zhì)體系叫宏觀體系。

Micro-system：理論研究中所接觸到的原子、分子體系叫微觀體系。

Mesosopicsystem：宏觀與微觀之間存在的物質(zhì)顆粒，稱為介觀體系。這一體系現(xiàn)在目前以人工方法合成為主，是具有全新特性的顆粒。常被稱作超微顆?；虺⒘Ｗ?。在化學(xué)工程領(lǐng)域，也常將超微顆粒稱為超細(xì)粉末。納米材料科學(xué)是材料學(xué)、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、表面、界面等學(xué)科的交叉學(xué)科（interdisciplinary），是現(xiàn)代材料科學(xué)的重要組成部分。從微觀到妙觀

20世紀(jì)初人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)已延伸到十分微小的層次時(shí)間已縮短到納(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飛(f)秒(10-15秒)的數(shù)量級(jí)。微觀層次研究已經(jīng)很深入已進(jìn)入原子核內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了百種以上的基本粒子隨著研究的深入它研究的手段和裝置也越來越龐大所花的資金也越來越多好像離老百姓日常起居生活所需的物質(zhì)世界也越來越遠(yuǎn)。其實(shí)不然雖然它所從事研究的物質(zhì)世界的時(shí)空尺度極小最小時(shí)間以10-15(飛(f)）秒計(jì)尺度空間以10-10m以下計(jì)真是渺小極了奇妙極了這個(gè)世界離通常所說的微觀世界相去甚遠(yuǎn)。所以在20世紀(jì)60年代關(guān)于原子模型的大討論時(shí)我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森博士在一次談話中提出了“妙觀”的概念這個(gè)提法比較準(zhǔn)確的反映了人類對(duì)物質(zhì)世界現(xiàn)今最深層次的探索研究。由于妙觀層次的探究產(chǎn)生了粒子加速器對(duì)撞機(jī)、電子顯微鏡、原子彈、氫彈原子能發(fā)電、高能輻射技術(shù)的廣泛應(yīng)用激光的發(fā)明等等這些直接關(guān)系人類生存和生活的事物妙觀層次探索研究除產(chǎn)生上述已為人們熟知的事物及影響外還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮它的深遠(yuǎn)影響。b從宏觀到宇觀

自從愛因斯坦提出相對(duì)論以后特別是哈勃的宇宙大爆炸理論提出以后人類對(duì)宏觀的探索研究也已經(jīng)走的更加遙遠(yuǎn)了已延伸到宇宙深空。它所用的時(shí)空尺度更是涵蓋了人類目前所使用的一切時(shí)空單位長(zhǎng)度單位是"光年"、"億光年"小的即妙觀層次的時(shí)空單位它都在應(yīng)用；"有"、"無"、"真空"、"煙滅"、"可見物質(zhì)"、"暗物質(zhì)"、"反物質(zhì)"、"反世界"這些玄而又玄的名詞是它用來描述宇宙世界的常用詞語。所以用傳統(tǒng)的所謂"宏觀"已經(jīng)難以包容它了。因此科學(xué)家在討論物質(zhì)觀時(shí)提出了"宇觀"的概念。c微觀物質(zhì)同宏觀物質(zhì)聯(lián)系的重新認(rèn)識(shí)--介觀

正是由于科學(xué)家們對(duì)微觀物質(zhì)世界和宏觀物質(zhì)世界在"妙觀"和"宇觀"兩個(gè)方面的深層次的探索研究所積累的知識(shí)、方法和物質(zhì)技術(shù)手段促使一些科學(xué)家回歸到對(duì)現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界進(jìn)行進(jìn)一步的深入觀察研究。起初他們所觀察的空間尺度從亞微米級(jí)（即100-1000nm）開始隨著深入觀察研究發(fā)現(xiàn)在0.1-100nm空間內(nèi)的物質(zhì)世界存在許多奇異的物理性質(zhì)。我們知道構(gòu)成一切現(xiàn)實(shí)宏觀物質(zhì)的基本單元是原子和分子。因此原子和分子是現(xiàn)實(shí)宏觀物質(zhì)的微觀起點(diǎn)。在0.1-100nm這樣的空間內(nèi)存在的原子和分子為數(shù)不多卻存在著一塊近年來才吸引一大批科學(xué)家極大興趣和探研的“處女地”在這個(gè)研究領(lǐng)地即不同于原子和分子這樣的微觀起點(diǎn)又不同于現(xiàn)實(shí)宏觀物質(zhì)領(lǐng)域它正好介于微觀和宏觀之間科學(xué)家們把它稱之為“介觀物理”或“介觀（mesoscopy）"。介觀物理歷經(jīng)四十多年的發(fā)展已有長(zhǎng)足進(jìn)展特別是近十幾年來的高速發(fā)展已形成了新興的科學(xué)技術(shù)即納米科技（Nano-Science&Technology）。這是人類對(duì)現(xiàn)實(shí)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的深層次的回歸和把握。這也是人們對(duì)“妙觀”和“宇觀”的深究和遠(yuǎn)探以后的現(xiàn)實(shí)回應(yīng)。實(shí)現(xiàn)回歸的“介觀”將會(huì)引導(dǎo)人們采用技術(shù)手段師法自然像天然植物那樣把存在于自然界的空氣、水、無機(jī)物質(zhì)自組裝成人類生活所需要的各種各樣的物品如糧食、纖維、各種微型機(jī)器人、計(jì)算機(jī)等等。被認(rèn)為愛因斯坦之后最杰出的量子物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在1959年的美國(guó)物理學(xué)年會(huì)上發(fā)表《底部有很大空間》的演講這被公認(rèn)為是納米科學(xué)技術(shù)思想的來源。他在這篇演講中所做的驚世預(yù)言"至少依我來看物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性"。將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。終于在1989年美國(guó)IBM公司的科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了用單個(gè)原子排列寫出IBM的商標(biāo)日本科學(xué)家用單個(gè)原子排列了漢字“原子”的字型。到了這時(shí)候科學(xué)家們的熱情也由最初的探索納米顆粒制備方法和其不同于常規(guī)材料的特殊性能轉(zhuǎn)向了如何利用它的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料、設(shè)計(jì)納米組裝體系和納米結(jié)構(gòu)材料并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中去。原子操縱及化學(xué)鍵的剪裁銅(111)表面上的鐵原子圍欄鉑表面上一氧化碳分子排成的“納米人”鐵原子在銅(111)表面排成的漢字任意操作原子1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。1.3納米材料分類常規(guī)材料在三維方向上都有足夠大的尺寸具有宏觀性。納米材料按其結(jié)構(gòu)可分為四類：即在三維方向上都是納米級(jí)者稱為三維納米材料；如層狀材料或薄膜（其厚度為納米級(jí)）等稱為一維納米結(jié)構(gòu)或一維限定材料二維結(jié)構(gòu)材料；具有纖維結(jié)構(gòu)的稱為二維納米結(jié)構(gòu)或二維限制一維結(jié)構(gòu)材料；具有原子簇和原子束結(jié)構(gòu)的稱其為三維/零維納米材料。納米材料一維二維三維GoldNanoparticleQuantumDot3Dconfinement0Dstructure三維納米結(jié)構(gòu)CoPt3nanoparticles50nm碳包覆(Fe,Ni)粒子鈦酸鉍鈉粉體

Na0.5Bi0.5TiO3粉體的四方體形貌

鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，單斜晶系

ZnAl2O4粉體MultiwalledCarbonNanotube2Dconfinement1Dstructure二維納米結(jié)構(gòu)-------二維限制一維結(jié)構(gòu)材料Nanowire/nanofiberNanowireswithshortlengthNanorodsNanobeltNanotube1Dconfinement2DstructureElementaldistributionmap:carbon=blue，iron=green一維納米結(jié)構(gòu)-------一維限制二維結(jié)構(gòu)材料TEMimagesof(a)rippling-edgeSiO2nanoribbons,and(b)asmooth-edgenanoribbon.Thethicknessoftheribbonsisabout14nm.1.4納米材料的結(jié)構(gòu)特性當(dāng)小粒子尺寸進(jìn)入納米量級(jí)(0.1一100nm)時(shí)其本身具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)因而展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面有廣闊納應(yīng)用前景同時(shí)也將推動(dòng)基礎(chǔ)研究的發(fā)展。如60年代RyogoKubo等人指出金屬超微粒子中電子數(shù)較少因而不再遵守Fermi統(tǒng)計(jì)”小于10nm的納米微粒強(qiáng)烈地趨向于電中性。這就是Kubo效應(yīng)它對(duì)微粒的比熱、磁化強(qiáng)度、超導(dǎo)電性、光和紅外吸收等均有影響。正因?yàn)槿绱擞腥嗽噲D把納米微粒與基本粒子、原子核、原子、分子、大塊物質(zhì)、行星、恒星相里系相提并論認(rèn)為原子簇和納米微粒是由微觀世界向宏觀世界的過渡區(qū)域許多生物活性由此產(chǎn)生和發(fā)展。久保把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡(jiǎn)并電子態(tài)并進(jìn)一步假設(shè)它們的能級(jí)為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級(jí)并認(rèn)為相鄰電子能級(jí)間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：

δ=4EF/3N

V-1

1/d3其中N為一個(gè)金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)V為納米粒子的體積；EF為費(fèi)米能級(jí)

隨著納米粒子的直徑減小能級(jí)間隔增大電子移動(dòng)困難電阻率增大從而使能隙變寬金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。這就是Kubo效應(yīng)它對(duì)微粒的比熱、磁化強(qiáng)度、超導(dǎo)電性、光和紅外吸收等均有影響。正因?yàn)槿绱擞腥嗽噲D把納米微粒與基本粒子、原子核、原子、分子、大塊物質(zhì)、行星、恒星相里系相提并論認(rèn)為原子簇和納米微粒是由微觀世界向宏觀世界的過渡區(qū)域許多生物活性由此產(chǎn)生和發(fā)展。1)量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降列某一值時(shí)金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。隨原子數(shù)目的增加存在一個(gè)從原子軌道向分子軌道和巨大分子固體的過渡過程。電子軌道處于不連續(xù)和量子化狀態(tài)在納米粒子中處于分立的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性帶來了納米粒子的一系列特殊性質(zhì)如高的光學(xué)非線性特異的催化和光催化性質(zhì)等。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)德布羅意波長(zhǎng)超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或與磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)晶體周期性邊界條件將被破壞非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變金屬熔點(diǎn)降低增強(qiáng)微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)可以改變顆粒尺寸控制吸收邊的位移制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料用于電磁波屏蔽、隱型飛機(jī)等。

由于納米粒子細(xì)化晶界數(shù)量大幅度的增加可使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大為提高。其結(jié)構(gòu)顆粒對(duì)光機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級(jí)的結(jié)構(gòu)顆粒使得納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性例如：納米相銅強(qiáng)度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)可望得到諸如高強(qiáng)度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規(guī)模復(fù)合材料等新一代材料為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長(zhǎng)期未能解決的問題開拓了新的途徑。2)小尺寸效應(yīng)（體積效應(yīng)）當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)、晶體周期性的邊界條件將被破壞：非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小．導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。例如。光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)：超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變聲子譜發(fā)生改變。人們?cè)酶弑堵孰娮语@微鏡對(duì)超細(xì)金顆粒（2nm）的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定性進(jìn)行觀察、實(shí)時(shí)地記錄顆粒形態(tài)在觀察中的變化．發(fā)現(xiàn)顆粒形態(tài)；可以在單晶與多晶、孿晶之間進(jìn)行連續(xù)地轉(zhuǎn)變。這與通常的