納米微粒的基本理論與物理性能

納米微粒的基本理論

與物理性能第二章主要內(nèi)容一、納米材料的基本理論二、納米微粒的物理特性2一、納米材料的基本理論3宏觀量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)物理效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)理論基礎(chǔ)的奠定1961年日本的久保（Kubo）及其合作者在研究金屬微粒時提出了著名的久保理論，即金屬微粒小到一定尺寸時會具有獨(dú)特的量子限域現(xiàn)象，引起了人們極大的興趣，開創(chuàng)了納米微粒研究的先河。4理論基礎(chǔ)的奠定本章所有的納米粒子的基本物理效應(yīng)都是在金屬納米微?；A(chǔ)上建立和發(fā)展起來的。這些基本物理效應(yīng)和相應(yīng)的理論，除了適合納米微粒外，同時也適合團(tuán)簇和亞微粒超微粒子。5當(dāng)金屬粒子的尺寸下降到或小于某一值時（激子玻爾半徑），其費(fèi)米能級附近的電子能級則會由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高已占分子軌道和最低未占分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。61、量子尺寸效應(yīng)激子波爾半徑激子是固體中的一種基本的元激發(fā),是由庫侖作用互相束縛著的電子-空穴對。半導(dǎo)體吸收一個光子之后，電子由價帶躍遷至導(dǎo)帶，但是電子由于庫侖作用仍然和價帶中的空穴聯(lián)系在一起。核外電子基態(tài)軌道的半徑就是波爾半徑

電子空穴對的玻爾半徑－－激子波爾半徑7費(fèi)米能級若固體中有N個電子，它們的基態(tài)是按泡利原理由低到高填充能量盡可能低的N個量子態(tài)。有兩類填充情況：

一、電子恰好填滿最低的一系列能帶，再高的各帶全部是空的，最高的滿帶稱為價帶，最低的空帶稱為導(dǎo)帶。價帶最高能級（價帶頂）與導(dǎo)帶最低能級（導(dǎo)帶底）之間的能量范圍稱為帶隙。這種情況對應(yīng)絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體實(shí)際上是帶隙寬度小的絕緣體。

二、除去完全被電子充滿的一系列能帶外，還有只是部分的被電子填充的能帶（常被稱為導(dǎo)帶）。這時最高占據(jù)能級為費(fèi)米能級EF，它位于一個或幾個能帶的能量范圍之內(nèi)。這種情況對應(yīng)金屬導(dǎo)體。8價帶、導(dǎo)帶、禁帶和費(fèi)米能級9價帶（valenceband）導(dǎo)帶（conductionband）禁帶或帶隙（forbiddenband、bandgap）金屬沒有帶隙，導(dǎo)帶與價帶連續(xù)。嚴(yán)格的說,金屬中的費(fèi)米能級和溫度無關(guān)，只會影響電子的分布。在0K的時候，費(fèi)米能級就是電子可能的最高能量，低于費(fèi)米能級的能級都有電子，高的全空。在高溫的時候，有部分電子跑到高于費(fèi)米能級的能級上去。10傳統(tǒng)的能帶理論告訴我們，金屬的費(fèi)米能級附近的電子能級是連續(xù)的，即最高已占軌道和最低未占軌道是連續(xù)的，或是準(zhǔn)連續(xù)的。這是因為宏觀物質(zhì)中包含有大量的原子，單個原子的能級就構(gòu)成能帶。由于電子數(shù)目趨于無窮大，所以能帶中相鄰能級間的間距趨于零。這個理論對物體為宏觀尺寸且處于高溫的情況下是合理的。已經(jīng)成功解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。11但是，當(dāng)金屬粒子的尺寸下降到某一值的時候，其費(fèi)米能級附近的電子能級則會由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)椴贿B續(xù)，即產(chǎn)生了量子尺寸效應(yīng)。12久保理論久保（Kubo）理論是關(guān)于金屬粒子電子性質(zhì)的理論。應(yīng)用此理論可以對金屬超微粒子的量子尺寸效應(yīng)進(jìn)行深入的分析。13著名公式1

式中，kB為玻爾茲曼常量，W為從一個超微粒子取出或放入一個電子克服庫侖力所做的功，d為超微粒直徑，e為電子電荷。久保認(rèn)為，對于一個超微粒子取走或放入一個電子都是十分困難的。因為，隨d值下降w增加，所以低溫下熱漲落很難改變超微粒子電中性。有人估計，在足夠的低溫度下，當(dāng)顆粒尺寸為1nm時，w比δ（能級間隔）小2個數(shù)量級，所以，1nm的小顆粒在低溫下量子尺寸效應(yīng)很明顯。14KBT代表熱漲落著名公式215相鄰電子能級間距和顆粒直徑的關(guān)系式中N為一個超微粒的總導(dǎo)電電子數(shù)，V為超微粒體積，EF為費(fèi)米能級，它可以用下式表示：

這里n1為電子密度，m為電子質(zhì)量。當(dāng)粒子為球形時，，即隨粒徑的減小，能級間隔加大。粒徑與能級間的關(guān)系16

對量子尺寸效應(yīng)的解釋

在低溫下，超微粒子的導(dǎo)電電子數(shù)要比塊材料少的多，是有限的。宏觀粒子包含無限個原子，所以導(dǎo)電電子數(shù)

N∞，δ0，即對大粒子或宏觀粒子，能級間距幾乎趨于零。但是，對于超微粒子，包含原子數(shù)有限，N值很小，因此導(dǎo)致能級間距不為零，能級間距發(fā)生分裂。1720世紀(jì)的70至80年代，超微粒子制備的發(fā)展和試驗技術(shù)不斷完善，在超微粒物性的研究上取得了一些突破性的進(jìn)展。發(fā)現(xiàn)當(dāng)超微粒的能級間距大于熱能（所以必須同時要求低溫）、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，這時量子尺寸效應(yīng)會表現(xiàn)出來，會導(dǎo)致納米微粒的磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性都會與塊體材料有著顯著的不同。這就進(jìn)一步支持和發(fā)展了久保理論。

——在低溫條件下，必須考慮量子尺寸效應(yīng)。18量子尺寸效應(yīng)的兩個定義當(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)金屬粒子的尺寸下降到或小于某一值時（激子玻爾半徑），其費(fèi)米能級附近的電子能級則會由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高已占分子軌道和最低未占分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。19久保公式1與久保公式2久保理論估算Ag微粒在1K時出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)的臨界粒徑daAg的電子密度：，由公式

和得到

當(dāng)T＝1K時，能級最小間距δ/kB=1,代入上式，求得d＝20nm。

20理論計算根據(jù)久保理論，只有當(dāng)時才會產(chǎn)生能級分裂，從而出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)，即由此得出，當(dāng)粒徑時，銀納米微粒變?yōu)榉墙饘俳^緣體；如果溫度高于1K，則要求才有可能變?yōu)榻^緣體。21實(shí)際情況金屬變?yōu)榻^緣體除了滿足外，還需滿足電子壽命的條件。試驗表明，納米Ag的確具有很高的電阻，類似于絕緣體。22量子尺寸效應(yīng)的典型表現(xiàn)導(dǎo)電的金屬制成納米粒子后變成半導(dǎo)體或絕緣體，磁矩的大小和顆粒中與電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱發(fā)生反常變化，光譜線向短波方向移動。催化活性與原子數(shù)目有奇妙的聯(lián)系，多一個原子活性很高，少一個則很低，這都是量子尺寸效應(yīng)的典型表現(xiàn)。23納米半導(dǎo)體相對于其塊體材料來說，一般要發(fā)生光譜的藍(lán)移。這是由于半導(dǎo)體材料屬于復(fù)合發(fā)光中心的發(fā)光材料，發(fā)光源是導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴或禁帶中的定域能級間的電子空穴復(fù)合。由于量子尺寸效應(yīng)，使其能級展寬所致。如CdS微粒由黃色變?yōu)闇\黃色；Cd3P2微粒降至約1.5納米時，其顏色從黑變到紅、橙、黃、最后變?yōu)闊o色。24利用等離子共振頻率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，可用于電磁屏蔽、隱形飛機(jī)等。25當(dāng)固體顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件消失，非晶態(tài)顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致材料宏觀物理和化學(xué)性質(zhì)上的一些新的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。262、小尺寸效應(yīng)補(bǔ)充知識——德布羅意波1924年法國青年物理學(xué)家德布羅意在光的波粒二象性的啟發(fā)下想到：自然界在許多方面都是明顯地對稱的，既然光具有波粒二象性，則實(shí)物粒子也應(yīng)該具有波粒二象性。他假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動性。

27一個實(shí)物粒子的能量為E、動量大小為p，跟它們聯(lián)系的波的頻率ν和波長λ的關(guān)系為28E＝mc2=hν

p=mv=h/λ

上兩式稱為德布羅意式。與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波實(shí)驗1927年戴維孫和革末用加速后的電子投射到晶體上進(jìn)行電子衍射實(shí)驗，證實(shí)了電子的波動性。同年湯姆遜做了電子衍射實(shí)驗。將電子束穿過金屬片(多晶膜)，在感光片上產(chǎn)生圓環(huán)衍射圖和X光通過多晶膜產(chǎn)生的衍射圖樣極其相似．這也證實(shí)了電子的波動性。對于實(shí)物粒子波動性的解釋，是1926年玻恩提出概率波的概念而得到一致公認(rèn)的。至于個別粒子在何處出現(xiàn)，有一定的偶然性；但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。物質(zhì)波的這種統(tǒng)計性解釋把粒子的波動性和粒子性正確地聯(lián)系起來了，成為量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)之一。29納米材料的聲、電、光、磁、熱、力學(xué)等特性都有可能會呈現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)。表現(xiàn)尤為突出的是納米粒子的熔點(diǎn)變化。30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)變等。例如：人們曾用高倍率電子顯微鏡對納米金顆粒（2nm）的結(jié)構(gòu)非穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，實(shí)時地記錄顆粒形態(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、卵晶之間進(jìn)行連續(xù)地轉(zhuǎn)變，這與通常的熔化相變不同，并提出了準(zhǔn)熔化相的概念。31納米粒子的熔點(diǎn)可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于塊狀金屬。例如2nm的金顆粒熔點(diǎn)為600K，隨粒徑的增加，熔點(diǎn)迅速上升，塊體金為1337K；納米銀粉熔點(diǎn)可降低到373K，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝。32納米粒子的小尺寸效應(yīng)為實(shí)用技術(shù)開拓了新領(lǐng)域。半導(dǎo)體CdS尺寸在幾個納米范圍內(nèi)，其熔點(diǎn)降得更加顯著。幾個納米的CdS熔點(diǎn)已降低至1000K，1.5nm的CdS熔點(diǎn)不到600K。33注意量子尺寸效應(yīng)是因能級間距不連續(xù)、離散引起的，與溫度有關(guān)，要求是低溫。性能的變化對溫度有一突變。小尺寸效應(yīng)不要求低溫，性能隨溫度的變化沒有突變。兩者都能引起材料性能的極大變化。34表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。353、表面效應(yīng)36納米微粒尺寸d（nm）包含總原子數(shù)表面原子所占比例1003×1062103×1042044×1034022.5×1028013099球形納米粒子：假設(shè)原子間距為3×10－4微米（0.3nm），表面原子僅占一層，粗略估算尺寸大小與表面原子數(shù)的關(guān)系。37表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系隨著粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致。例如，粒徑為10nm時，比表面積為90m2/g，粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g，粒徑下降到2nm時，比表面積猛增加到450m2/g。這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時表面能迅速增加。3839納米銅微粒的粒徑與比表面積，表面原子數(shù)比例，表面能和一個粒子中的原子數(shù)的關(guān)系粒徑d(nm)Cu的比表面積M2.g-1表面原子所占比例％一個粒子中的原子數(shù)比表面能J.mol-11006.68.46×1075.9×10220101066208.46×1045.9×1035401.06×1042801660995.9×104銅的納米粒子粒徑從100nm——10nm——1nm，其微粒的比表面積和表面能增加了2個數(shù)量級。粒徑/nm1mol銅原子的粒子數(shù)/個1個粒子的質(zhì)量/g表面積/cm2表面能/J107.1×10189.07×10184.2×1075.8×1061007.1×10159.07×10154.2×1065.8×10510007.1×10129.07×10124.2×1055.8×10440銅微粒與表面能高化學(xué)活性納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部的原子是不同的，存在許多的懸空鍵，原子配位不足，并具有不飽和性，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，所以具有很高的化學(xué)活性。4142如：金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機(jī)納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。43高能量的表面原子，不但引起納米粒子表面原子輸送和結(jié)構(gòu)的變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化，在化學(xué)變化、燒結(jié)、擴(kuò)散等過程中，將成為物質(zhì)傳遞的巨大驅(qū)動力，同時還會影響到納米相變化、晶形穩(wěn)定性等平衡狀態(tài)的性質(zhì)。44被稱為第四代催化劑的超微顆粒催化劑，利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率。45應(yīng)用實(shí)例以粒徑小于0.3微米的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要成分制成的催化劑可使有機(jī)物氯化的效率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水超細(xì)鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用，從而生成碳纖維。46不同種類的納米過渡金屬都有特殊的儲氫的規(guī)律47納米NiPd粒子釋氫量隨溫度的變化納米金屬粒子釋放氫的相對量48T/℃Ni2＋Ti4+Fe2＋，3＋NiPd1000.180.100.190.012000.740.170.560.053000.900.350.780.264001.001.001.001.005000.740.640.730.246000.350.170.400.03電子具有粒子性又具有波動性，具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。494、宏觀量子隧道效應(yīng)意義量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作。經(jīng)典電路的極限尺寸大約在0.25μm。50其它效應(yīng)51庫侖堵塞量子隧穿介電限域效應(yīng)量子干涉效應(yīng)二維電子氣和量子霍爾（Hall）效應(yīng)√√庫倫堵塞庫倫堵塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代相關(guān)領(lǐng)域所發(fā)現(xiàn)的極為重要的物理現(xiàn)象之一。當(dāng)體系的尺度進(jìn)入到納米量級，體系的電荷是“量子化”的，充電和放電過程是不連續(xù)的。充入一個電子所需的能量E=e2/2c，e為一個電子的電荷，c為小體系的電容。體系越小，c越小，能量越大。我們把這個能量稱為庫倫堵塞能。換句話說，庫倫堵塞能是前一個電子對后一個電子的庫倫排斥能，這就導(dǎo)致在一個小體系的充放電過程中，電子不能集體運(yùn)輸，而是一個一個單電子的傳輸。通常把小體系中這種單電子運(yùn)輸行為稱為庫倫堵塞效應(yīng)。52量子隧穿假定粒子由勢壘的左方向向右方運(yùn)動。經(jīng)典力學(xué)：只有能量大于勢壘的粒子才能越過勢壘運(yùn)動到勢壘的右方，而小于勢壘能量的粒子則被反射回去，不能透過勢壘。量子力學(xué)：粒子具有波動性，能量大于勢壘的粒子可以越過勢壘，能量小于勢壘的粒子也有一定的概率穿透勢壘的現(xiàn)象稱為量子隧穿效應(yīng)

。53量子隧穿的概率與勢壘的高度、厚度和粒子的有效質(zhì)量有關(guān)；在共振隧穿中，還與勢壘的寬度、材料的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。共振量子隧穿現(xiàn)象的實(shí)驗證明是在超晶格、量子阱材料研制成功后的1974年，由張立綱等首先觀察到的?；诹孔铀泶┬?yīng)的共振隧穿二極管、三極管及其集成在超高頻振蕩器和高速電路等方面有著重要的應(yīng)用前景。54量子隧穿利用量子隧穿和庫侖堵塞效應(yīng)可以設(shè)計下一代納米結(jié)構(gòu)器件，如單電子電晶體和量子開關(guān)等。55量子隧穿二、納米微粒的物理特性納米微粒具有大的比表面積，表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒子的下降急劇增加，量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于常規(guī)粒子，這就使得它具有廣闊應(yīng)用前景。56熱學(xué)性能力學(xué)性能電學(xué)性能磁學(xué)性能光學(xué)性能納米微粒懸浮液和動力學(xué)性質(zhì)表面活性及敏感特性光催化性能571、熱學(xué)性能

納米粒子的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體的低得多。由于顆粒小，納米微粒的表面能高、比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及體積遠(yuǎn)小于大塊材料的納米粒子熔化時所需增加的內(nèi)能小的多，這就使得納米粒子熔點(diǎn)急劇下降。58Wronski計算出金微粒的粒徑與熔點(diǎn)的關(guān)系，結(jié)果如圖：（大塊材料是1336K）591、熱學(xué)性能-熔點(diǎn)大塊Pb的熔點(diǎn)為600K，而20nm球形Pb微粒熔點(diǎn)降低至288K；納米Ag微粒在低于373K開始溶化，而常規(guī)Ag的熔點(diǎn)為1173K。601、熱學(xué)性能-熔點(diǎn)所謂的燒結(jié)溫度是指把粉末先用高壓壓制成型，然后在低于熔點(diǎn)的溫度下使這些粉末互相結(jié)合成塊，密度接近常規(guī)材料的最低加熱溫度。納米粒子尺寸小，表面能高，壓制成塊材后的界面具有高能量，在燒結(jié)過程中高的界面能成為原子運(yùn)動的驅(qū)動力，有利于界面中的孔洞收縮，空位團(tuán)的湮沒，因此在較低的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的。611、熱學(xué)性能-

低燒結(jié)溫度如常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在2073~2173K，在一定條件下，納米的Al2O3可在1423K至1773K燒結(jié)，致密度可達(dá)99.7%（加工溫度下降約400～650℃）。常規(guī)Si3N4燒結(jié)溫度高于2273K，納米材料的燒結(jié)溫度降低至673～773K，加工溫度下降1500～1600℃。621、熱學(xué)性能-低燒結(jié)溫度63納米TiO2在773K加熱呈現(xiàn)出明顯的致密化，晶粒僅有微小的增加，致使納米TiO2在比大晶粒樣品低～700K的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到類似的硬度。1、熱學(xué)性能-低燒結(jié)溫度64非晶納米微粒的晶化溫度低于常規(guī)粉體。傳統(tǒng)非晶氮化硅在1793K晶化成α相，而納米非晶氮化硅微粒在1673K加熱4h全部轉(zhuǎn)變成α相。納米微粒開始長大溫度隨粒徑的減小而降低?！?073K，1273K，1423K1、熱學(xué)性能-低晶化溫度在制備反蛋白石結(jié)構(gòu)的二氧化鈦光子晶體和光子球的過程中當(dāng)燒結(jié)溫度為500℃時，所得晶型完全是銳鈦；燒結(jié)溫度是700℃時，則完全是金紅石型；銳鈦到金紅石鈦的相轉(zhuǎn)變溫度在550～650℃。比常規(guī)材料低了約200℃。65本組的研究1、熱學(xué)性能-低晶化溫度66不同燒結(jié)溫度下所得二氧化鈦X－射線衍射（XRD）圖1、熱學(xué)性能-低晶化溫度無論是在科學(xué)研究還是在工程應(yīng)用方面，對二氧化鈦晶體來說，從銳鈦（anatase）到金紅石（rutile）的晶型轉(zhuǎn)變，都是一個熱門的研究課題。671、熱學(xué)性能-低晶化溫度68由膠體晶體作模板制備二氧化鈦反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體掃描電鏡圖：（左）表面，（右）斷面1、熱學(xué)性能-低晶化溫度有序大孔二氧化鈦光子球掃描電鏡照片：（左）球的整體，（右）球的表面691、熱學(xué)性能-低晶化溫度納米材料的比熱和膨脹系數(shù)都大于同類粗晶和非晶材料的值由于納米材料界面原子排列比較混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)?。如金屬銀界面熱膨脹系數(shù)是晶內(nèi)熱膨脹系數(shù)的2.1倍；納米鉛的比熱比多晶態(tài)鉛增加25%~50%；納米銅的熱膨脹系數(shù)比普通銅大好幾倍；晶粒尺寸為8nm的納米銅的自擴(kuò)散系數(shù)比普通銅大1019倍。701、熱學(xué)性能-低晶化溫度由于納米晶體材料有很大的比表面積，雜質(zhì)在界面的濃度便大大降低，從而提高了材料的力學(xué)性能。由于納米材料晶界原子間隙的增加和氣孔的存在，使其楊氏模量減小了30%以上。此外，由于晶粒減小到納米量級，使納米材料的強(qiáng)度和硬度比粗晶材料高４-５倍。與傳統(tǒng)材料相比，納米結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能有顯著的變化。一些材料的強(qiáng)度和硬度成倍的提高。712、力學(xué)性能72大量的實(shí)驗表明，納米結(jié)構(gòu)材料硬度的變化（強(qiáng)度的測量值較少）可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：（1）總體來說，硬度隨著粒徑的減小而增長。（2）當(dāng)晶粒尺寸很小時，硬度隨著粒徑的減小而降低。2、力學(xué)性能3、電學(xué)性能納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變。原因：

1）納米材料晶界上原子體積分?jǐn)?shù)增大；2）量子尺寸效應(yīng)（能級分裂）；3）電子在納米材料中的傳輸過程受到空間維度的約束從而呈現(xiàn)出量子限域效應(yīng)。

在納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動受到限制，電子動能或能量被量子化了。結(jié)果表現(xiàn)出在金屬顆粒的兩端加上電壓，電壓合適時，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時金屬顆粒不導(dǎo)電。這樣一來，原本在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)不再成立了。金屬銀會失去了典型金屬特征；733、電學(xué)性能納米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的電阻下降了幾個數(shù)量級；常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負(fù)數(shù)；原來絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降，變成了半導(dǎo)體或?qū)щ婓w。納米材料的電學(xué)性能決定于其結(jié)構(gòu)。如隨著納米碳管結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同，納米碳管可以是金屬性的、半導(dǎo)體性的。744、磁學(xué)性能基本知識簡介磁學(xué)性能納米磁性材料及其應(yīng)用751）基本知識簡介磁性材料：具有強(qiáng)磁性的材料叫磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲或改變能量狀態(tài)的功能。76分類：a，按照材料的化學(xué)組成，可將磁性材料劃分為金屬磁性材料和非金屬（陶瓷鐵氧體）磁性材料。b，按照使用形態(tài)，可分為塊狀體、粉末、薄膜型磁性材料。c，按照功能來分，軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、磁記錄材料、磁光材料等。d，按照磁性材料的磁性特性來分，鐵磁材料、順磁材料、反磁材料等。77鐵磁材料鐵磁材料（ferromagnet）：磁場B0中加入這種磁介質(zhì)后，出現(xiàn)的附加磁場B′與B0同向，而B′》B0，因而總的磁感應(yīng)強(qiáng)度B’比B0大大增強(qiáng)（可增強(qiáng)幾千倍到幾十萬倍）。鐵磁性材料磁性很強(qiáng)，磁化率很高（磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比），即通常說的磁性材料。鐵、鈷、鎳、釓、鏑以及它們的一些合金都屬于鐵磁質(zhì)。78微觀上，鐵磁性是通過相鄰晶格結(jié)點(diǎn)原子的電子殼層的相互作用而引起的。這種相互作用致使原子磁矩定向平行排列，并產(chǎn)生自發(fā)磁化現(xiàn)象。鐵磁體內(nèi)這些自發(fā)磁化的區(qū)域叫做“磁疇”。在每個小區(qū)域內(nèi)原子磁矩排列得非常整齊，因此具有很強(qiáng)的磁性，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)磁化。79鐵磁性的本質(zhì)與逆（反）磁性和順磁性不同，逆磁性和順磁性只有在外磁場的作用下，才顯示其逆磁和順磁性。而鐵磁性，即使在無外磁場的存在，其中的元磁體也會定向排列，形成“自發(fā)磁化”。由于自發(fā)磁化，鐵磁質(zhì)內(nèi)部存在著強(qiáng)大的內(nèi)磁場。80鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)制81在沒有外磁場作用時，各個磁疇原子磁矩排列的方向彼此不同（圖甲），磁性彼此抵消，所以對外不顯磁性。加上外磁場后，起初磁化方向與外磁場方向相同或接近的那些磁疇擴(kuò)大自己的疆界，而反向磁化的磁疇體積減?。▓D乙、丙），對外顯示磁性。隨著外磁場的不斷增強(qiáng)，磁疇的磁化方向不同程度地轉(zhuǎn)向外磁場方向（圖?。．?dāng)所有的磁疇的磁化方向都按外磁場的方向排列好，介質(zhì)的磁化達(dá)到飽和（圖戊）。由于每個磁疇中的原子磁矩都排列得很整齊，所以鐵磁質(zhì)的磁性比順磁質(zhì)強(qiáng)得多。82居里溫度（居里點(diǎn)）鐵磁質(zhì)的溫度高于某一溫度時自發(fā)磁化強(qiáng)度為零，這一溫度叫居里溫度或居里點(diǎn)，是鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)的臨界溫度。當(dāng)溫度降到居里溫度以下時，鐵磁質(zhì)又恢復(fù)其鐵磁性。不同鐵磁質(zhì)的居里溫度不同，如鐵的居里溫度是769℃，鎳是358℃，鈷是1131℃。83原因因為促使原子磁矩定向排列的相互作用力并不是很強(qiáng)，受晶體熱運(yùn)動的干擾，最終消失，內(nèi)部原子磁矩定向排列遭到破壞，鐵磁性消失。84鐵磁材料按特性分硬磁和軟磁兩大類（也有矩磁），鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線，反映該材料的重要特性，也是設(shè)計選用材料的重要依據(jù)。鐵磁物質(zhì)是一種性能特異，在現(xiàn)代科技和國防上用途廣泛的材料。鐵，鈷，鎳及其眾多合金以及含鐵的氧化物（鐵氧體）均屬鐵磁物質(zhì)。其特征是在外磁場作用下能被強(qiáng)烈磁化，磁導(dǎo)率μ很高。另一特性是磁滯，即磁場作用停止后，鐵磁材料仍保留磁化狀態(tài)。8586B(Bm)BssoabrHs(Hm)Hc-Hc-Hss’r’BrBr’H鐵磁物質(zhì)的起始磁化曲線和磁滯回線c飽和磁化強(qiáng)度,飽和磁場強(qiáng)度起始磁化曲線、磁滯、剩磁、矯頑力、退磁曲線磁滯回線、磁滯損耗圖中的原點(diǎn)。表示磁化之前鐵磁物質(zhì)處于磁中性狀態(tài)，即B=H=O。當(dāng)外磁場H從零開始增加時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨之緩慢上升，如線段落oa所示；繼之B隨H迅速增長，如ab段所示；其后，B的增長又趨緩慢；當(dāng)H值增至Hs

時，B的值達(dá)到Bs

，在S點(diǎn)的Bs和Hs，通常又稱本次磁滯回線的Bm和Hm（飽和磁化強(qiáng)度和飽和磁場強(qiáng)度）。曲線oabs段稱為起始磁化曲線。87當(dāng)磁場從Hs逐漸減少至零時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿起始磁化曲線恢復(fù)到o點(diǎn)，而是沿一條新的曲線sr下降，比較線段os和sr，我們看到：H減小，B也相應(yīng)減小，但B的變化滯后于H的變化，這個現(xiàn)象稱為磁滯，磁滯的明顯特征就是當(dāng)H=0時，B不為0，而保留剩磁Br。當(dāng)磁場反向從o逐漸變?yōu)?Hc時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=O，這就說明要想消除剩磁，必須施加反向磁場，Hc稱為矯頑力。它的大小反映鐵磁材料保持剩磁狀態(tài)的能力，線段rc稱為退磁曲線。88當(dāng)外磁場按Hs→0→-Hc→-Hs→0→Hc→Hs次序變化時，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度則按閉合曲線srcs’r’c’s變化時，這閉合曲線稱為磁滯回線。所以，當(dāng)鐵磁材料處于交變磁場中時（如變壓器鐵心），將沿磁滯回線反復(fù)被磁化→去磁→反向磁化→反向去磁，由于磁疇的存在，此過程要消耗能量，以熱的形式從鐵磁材料中釋出。這種損耗稱為磁滯損耗，可以證明，磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。89當(dāng)初始態(tài)為H=B=0的鐵磁材料，在峰值磁場強(qiáng)度H由弱到強(qiáng)的交變磁場作用下磁化，可以得到面積由小到大向外擴(kuò)張的一組磁滯回線.90同一鐵磁材料的一組磁滯回線91矩軟硬不同鐵磁材料的磁滯回線磁化曲線和磁滯回線是鐵磁材料分類的主要依據(jù)。分類與應(yīng)用磁滯回線寬者，為硬磁材料，適用制造永磁體，其矯頑力大，剩磁強(qiáng)，如釹鐵硼合金。磁滯回線細(xì)而窄者，為軟磁材料，矯頑力，剩磁和磁滯損耗均較小，是制造變壓器、電機(jī)和交流電磁鐵的主要材料。磁滯回線如矩形者，為矩磁材料，矯頑力小，剩磁大，適于做記憶材料。如磁環(huán)、磁膜，廣泛地應(yīng)用于高科技行業(yè)。92順磁順磁質(zhì)（Paramagnet）磁介質(zhì)的一種，這種磁介質(zhì)的磁化率為正值，放入磁場B0中后，由磁化產(chǎn)生的附加磁場B′的方向與B0相同，但數(shù)值很?。˙′僅為B0的十萬分之幾），因此，總的磁感應(yīng)強(qiáng)度略大于原來的磁場B0錳、鉻、鉑、氮等都屬于順磁質(zhì)。93順磁性磁(性)物質(zhì)的主要特點(diǎn)是原子或分子中含有沒有完全抵消的電子磁矩，因而具有原子或分子磁矩（但沒有磁疇存在）。原子(或分子)磁矩之間并無強(qiáng)的相互作用(一般為交換作用)，因此原子磁矩在熱騷動的影響下處于無規(guī)(混亂)排列狀態(tài)，原子磁矩互相抵消而無合磁矩。94順磁性當(dāng)受到外加磁場作用時，這些原來在熱騷動下混亂排列的原子磁矩便同時受到磁場作用使其趨向磁場排列和熱騷動作用使其趨向混亂排列，因此總的效果是在外加磁場方向有一定的磁矩分量。這樣便使磁化率(磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比)成為正值，但數(shù)值也是很小,一般順磁物質(zhì)的磁化率約為十萬分之一(10-5)，并且隨溫度的降低而增大。952）磁學(xué)性能納米粒子的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具有的磁特性。主要磁特性包括：超順磁性；轎頑力；居里溫度；磁化率96超順磁性納米粒子尺寸小到一定臨界值時進(jìn)入超順磁狀態(tài)，例如α-Fe，F(xiàn)e3O4和α-Fe2O3粒徑分別為5nm，16nm和20nm時變成順磁體。97粒徑為85nm的納米Ni微粒，轎頑力很高；而粒徑小于15nm時，轎頑力Hc0，說明已進(jìn)入超順磁狀態(tài)。（居里點(diǎn)附近沒有明顯的磁化率的變化）98鎳微顆粒的矯頑力與顆粒直徑的關(guān)系曲線V(χ)是與交流磁化率有關(guān)的檢測電信號。

85nm的微粒在居里點(diǎn)附近V(χ)發(fā)生突變，意味著磁化率的突變；9和13nm時，則是緩變。說明納米粒子的粒徑不一樣，其居里溫度也不一樣99超順磁的解釋在小尺寸下，當(dāng)各項異性性能減小到與熱運(yùn)動能可比擬時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。不同種類的納米磁性微粒顯現(xiàn)超順磁的臨界尺寸是不相同的。100轎頑力納米微粒尺寸高于超順磁臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的轎頑力。粒徑為16nm的Fe粒子，室溫下轎頑力仍保持7.96x104A/m，而常規(guī)Fe的Hc一般低于79.62.101納米粒子的矯頑力與粒徑溫度之間的關(guān)系理論解釋目前有一致轉(zhuǎn)動模型和球鏈反轉(zhuǎn)磁化模型來解釋。

——都與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差。當(dāng)粒子尺寸小到某一尺寸時，每個粒子就是一個單磁疇，例如對于Fe和Fe3O4單磁疇的臨界尺寸分別為12nm和40nm，每個單磁疇的納米微粒實(shí)際上成為一個永久磁鐵，要使這個磁鐵去掉磁性，必須使每個粒子整體的磁矩反轉(zhuǎn)，就需要很大的反向磁場，即具有很高的矯頑力。102注意納米效應(yīng)對納米粒子的磁性能有兩個方面的影響：1、粒子小到一定尺寸時，會變成順磁，矯頑力趨于零。如Fe3O4粒徑小于16nm時。2、但在這個尺寸之上，F(xiàn)e3O4的矯頑力非常大，且比常規(guī)塊體材料的還要大。103居里溫度一般來說，隨納米粒子尺寸的減小，居里溫度呈下降趨勢。

——解釋：因為居里溫度Tc通常與交換積分Je呈正比，并與原子構(gòu)型和間距有關(guān)。許多實(shí)驗證實(shí)，納米微粒內(nèi)原子間距隨粒徑下降而減小，原子間距減小將導(dǎo)致Je的減小，從而Tc隨粒徑減小而下降。104磁化率納米微粒的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關(guān)。每個微粒的電子可以看成一個體系，電子數(shù)的宇稱可以為奇也可能為偶。一價金屬的微粉，一半粒子的宇稱為奇，另一半為偶；兩價金屬的粒子的宇稱為偶。電子數(shù)為奇或偶數(shù)的粒子，磁性和溫度有不同的關(guān)系。105宇稱（阿西莫夫）假定我們把每一個亞原子粒子都掛上標(biāo)簽：要嘛是Ａ，要嘛是Ｂ，二者必居其一?，F(xiàn)在再進(jìn)一步假定，一個Ａ粒子只要分裂成兩個粒子，這兩個粒于要不是統(tǒng)統(tǒng)屬于Ａ類，就必定統(tǒng)統(tǒng)屬于Ｂ類。這時我們可以寫出Ａ＝Ａ＋Ａ或Ａ＝Ｂ＋Ｂ。一個Ｂ粒子如果分裂成兩個粒子，這兩個粒子當(dāng)中總是有一個屬于Ａ類，另一個則屬于Ｂ類，所以我們可以寫出Ｂ＝Ａ十Ｂ。106宇稱（阿西莫夫）還有另一種情形：如果兩個粒子互相碰撞而分裂成三個粒子，這時你就可能發(fā)現(xiàn)Ａ＋Ａ＝Ａ＋Ｂ＋Ｂ或Ａ＋Ｂ＝Ｂ＋Ｂ＋Ｂ。

但是，有些情形卻是觀察不到的。例如，你不會發(fā)現(xiàn)Ａ＋Ｂ＝Ａ＋Ａ或Ａ＋Ｂ＋Ａ＝Ｂ＋Ａ＋Ｂ。

這一切是什么意思呢？好吧，讓我們把Ａ看作２，４，６這類偶數(shù)當(dāng)中的一個，而把Ｂ看作３，５，７這類奇數(shù)。兩個偶數(shù)相加總是等于偶數(shù)（６＝２＋４），所以Ａ＝Ａ＋Ａ。兩個奇數(shù)相加也總是等于偶數(shù)（８＝３＋５），所以Ａ＝Ｂ＋Ｂ。但是，一個奇數(shù)和一個偶數(shù)之和卻總是等于奇數(shù)（７＝３＋４），所以Ｂ＝Ａ＋Ｂ。

107宇稱（阿西莫夫）換句話說，有些亞原子粒子可以稱為“奇粒子”，另一些亞原子粒子可以稱為“偶粒子”，因為它們所能結(jié)合成的粒子或分裂成的粒子正好與奇數(shù)和偶數(shù)相加時的情況相同。

當(dāng)兩個整數(shù)都是偶數(shù)或者都是奇數(shù)時，數(shù)學(xué)家就說這兩個整數(shù)具有“相同的奇偶性（宇稱）”；如果一個是奇數(shù)，一個是偶數(shù)，它們就具有“不同的奇偶性（宇稱）”。這樣一來，當(dāng)有些亞原子粒子的行為象是奇數(shù)，有些象是偶數(shù)。108電子數(shù)為奇數(shù)的粒子集合體的磁化率服從居里－外斯定律：

C為常數(shù)

Tc為居里溫度量子尺寸效應(yīng)使磁化率遵從d-3規(guī)律。電子數(shù)為偶數(shù)的系統(tǒng)，磁化率遵從d2規(guī)律。109其它磁特性納米金屬Fe（8nm）飽和磁化強(qiáng)度比常規(guī)α-Fe低40％，納米Fe的比飽和磁化強(qiáng)度隨粒徑的減小而下降。1103）納米磁性材料及其應(yīng)用納米粒子的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍。20nm的純鐵粒子的矯頑力是大塊材料鐵的1000倍。但當(dāng)尺寸再減小到6nm時，其矯頑力反而又下降到零，表現(xiàn)出順磁性。利用納米粒子具有高矯頑力的性質(zhì)，已經(jīng)做成了高存儲密度的磁記錄粉，由于磁帶、磁盤、磁卡及磁性鑰匙、磁性車票等。111團(tuán)簇的磁性可能與體材不同體系團(tuán)簇體材Na,K鐵磁順磁Fe,Co,Ni超順磁鐵磁Gd,Tb超順磁鐵磁Cr受抑順磁反鐵磁Rh,Pd鐵磁順磁112A.納米藥物磁粒子納米藥物磁粒子材料應(yīng)用最著名的例子是納米藥物磁粒子在腫瘤治療上的應(yīng)用。納米藥物磁粒子利用納米Fe3O4和γ—Fe2O3的順磁性，包覆藥物之后制成納米級的藥物磁粒子，利用外磁場的引導(dǎo)，把藥物磁粒子引導(dǎo)到病灶，達(dá)到靶向給藥或把Fe3O4磁粒子定位于病灶，然后用交變磁場進(jìn)行加熱，用以殺滅癌細(xì)胞。這種方法在腫瘤，特別在關(guān)于腫瘤的治療方面研究的很多，有希望進(jìn)入臨床。113B.納米磁記錄材料隨著信息技術(shù)的發(fā)展，需要記錄的信息量也不斷增加，要求記錄材料高性能化，特別是記錄高密度化。磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。114目前所用的錄像磁帶的磁體的大小為100～300nm（長）、10～20nm（短徑）的超微粒子。一般粒子的體積要盡可能的小，但不能小于變成超順磁性的臨界尺寸（約10nm）。磁帶一般使用的磁性粒子為鐵或氧化鐵的針狀粒子，例如針狀γ—Fe2O3，CrO2、Co包覆的γ—Fe2O3及鋇鐵氧體等針狀磁性粒子。磁性納米粒子除了上述應(yīng)用外，還可以作光快門、光調(diào)節(jié)器（改變外磁場、控制透光量）、激光磁艾滋病毒檢測等儀器儀表，抗癌藥物磁性載體，細(xì)胞磁分離介質(zhì)材料，復(fù)印機(jī)墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等。115C.納米巨磁材料磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象。所謂磁電阻是指在一定的磁場下電阻改變的現(xiàn)象。人們將這種現(xiàn)象稱為磁電阻。巨磁阻抗效應(yīng)（或巨磁電阻效應(yīng)）是指磁性材料的交流阻抗隨外磁場發(fā)生急劇減小的現(xiàn)象。一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。116巨磁阻抗效應(yīng)是近幾年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。1986年德國的Grünberg教授首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間耦合。1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授研究組首先Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)。這在國際上引起了很大的反響。隨后在90年代，人們在很多的納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻抗效應(yīng)。 由于巨磁阻抗多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有著廣泛的應(yīng)用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高科技上的應(yīng)用投入了很大的力量。1171994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達(dá)5Gbit/in2，不久又報道為11Gbit/in2，從而在與光盤競爭中重新取得領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化、廉價化、靈敏度高、響應(yīng)快，除讀出磁頭外還可應(yīng)用于用于自動控制、速度和位置測定、防盜報警系統(tǒng)和汽車導(dǎo)航、點(diǎn)火裝置等。與光電等傳感器相比它具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。118鑒于巨磁電阻效應(yīng)重要的基礎(chǔ)研究意義和重大的應(yīng)用前景，對巨磁電阻效應(yīng)作出了重大開拓工作的Fert教授等人曾獲二次世界級大獎。119D.納米磁流變液納米磁流變液是利用納米微粉制備成的智能材料。納米磁粉在磁液中，如果受到外加電場作用，磁粉在液體中形成定向排列，使磁流體粘度劇增，磁流體變?yōu)楣腆w。當(dāng)電場撤銷，磁液體又有極好的流動性。利用這一點(diǎn)作為汽車的剎車液，也可以用于材料的密封和阻尼材料。120E.納米磁性液體材料1963年美國國家航空與航天局的Papell首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細(xì)的Fe3O4微顆粒上（直徑約為10nm），并高度分散于煤油中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包覆的液體一起運(yùn)動，因此，好像整個液體具有磁性，于是取名為磁性液體。其英文名稱為“ferrofluid”,“magneticfluid”,“magneticliquid”等。121磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鏈的有機(jī)表面活性劑，高度分散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。磁流體具有液體的流動性和磁體的磁性，它可以在外磁場作用下整體的運(yùn)動，因此具有其它液體所沒有的磁控特性。常用磁性液體采用粒徑小于10nm的鐵氧體顆粒制成，它的飽和磁強(qiáng)度大致低于32A/m。目前研制成功的由金屬磁性微粒制成的磁性液體，其飽和磁化強(qiáng)度可比前者高4倍。國外磁性液體已商品化，美、日、英等國均有磁性液體公司，供應(yīng)各種用途的磁性液體及其器件。磁性液體的用途十分廣泛。122利用超順磁性人們研制出應(yīng)用廣泛的磁流體磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、選礦等領(lǐng)域。123a.旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動部分的動態(tài)密封一直是工程界較為困難的課題。磁流體用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封是較為理想的一種方式。用環(huán)狀的靜磁場將磁流體約束于被密封的轉(zhuǎn)動部分，形成液體的“O”環(huán)，可以進(jìn)行真空、加壓、封水、封油等情況下的動態(tài)密封。目前已廣泛用于機(jī)械、電子、儀器、宇航、化工、船舶等領(lǐng)域，如計算機(jī)硬盤轉(zhuǎn)軸處的防塵密封單晶爐轉(zhuǎn)軸處的真空密封及x光機(jī)轉(zhuǎn)靶部分的密封等。124b.提高揚(yáng)聲器輸出功率為了增進(jìn)揚(yáng)聲器中音圈的散熱，可在音圈部分填充磁流體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高5～6倍，從而使得在相同結(jié)構(gòu)的情況下，使揚(yáng)聲器的輸出功率增加1倍。125C.各種阻尼器件如在步進(jìn)電機(jī)中滴加磁流體，就可阻尼步進(jìn)電機(jī)的余振，使步進(jìn)電機(jī)平衡地轉(zhuǎn)動。用磁流體所構(gòu)成的減震器可以消除極低頻率的振動。126d.分離不同比重的

非磁性金屬與礦物質(zhì)物體在磁流體中的浮力是隨磁流體的磁化狀態(tài)而改變的，因此可采用一梯度磁場的強(qiáng)弱就可以分離出不同比重的非磁性金屬與礦物質(zhì)。1275、光學(xué)性質(zhì)納米粒子的一個最重要的標(biāo)志是尺寸與物理的特征量相差不多，例如，當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當(dāng)時，小顆粒的量子尺寸效應(yīng)十分顯著。與此同時，大的比表面使處于表面態(tài)的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為有很大的差別，這種表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對納米微粒的光學(xué)特性有很大的影響，甚至使納米粒子具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體不具備的新的光學(xué)性質(zhì)。128光的吸收大塊金屬具有不同顏色的光澤，表明它們對可見光范圍各種顏色的反射和和吸收的能力不同。納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬納米粒子會失去光澤，如金、鉑、鎳等。粒子越小，色澤越黑。實(shí)際上所有的金屬納米粒子均為黑色（金屬黑）。這表明金屬納米粒子對光的反射率很低，對可見光具有強(qiáng)的吸收率，大約有幾納米的厚度就可消光，利用此特性就可制作高效光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱、電能。129光的吸收130許多納米粒子對紫外線有強(qiáng)的吸收作用。如ZnO，F(xiàn)e2O3和TiO2等，可用于抗紫外線用品。而亞微米級的TiO2對紫外線幾乎不吸收。原因主要是其半導(dǎo)體性質(zhì)，電子被紫外線激發(fā)。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光澤普遍存在藍(lán)移現(xiàn)象，納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料（紅外敏感原件、紅外隱身材料等）。此外，TiO2超細(xì)或納米粒子還藍(lán)移和紅移現(xiàn)象與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象。如納米SiC和其大塊材料的紅外吸收峰分別是814和794cm-1，藍(lán)移了20nm。原因有兩點(diǎn)：a，量子尺寸效應(yīng)使能隙變寬；b，表面效應(yīng)產(chǎn)生的大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小，鍵本征振動頻率增大，所以紅外光吸收移向了高波數(shù)。131藍(lán)移和紅移現(xiàn)象132在不同粒徑的CdS納米微粒的吸收光譜中，隨微粒尺寸的變小，吸收峰明顯藍(lán)移。133但有些納米材料相對其粗晶材料會發(fā)生光吸收帶的“紅移”。例如，在200～1400nm波長范圍，納米材料相對于單晶NiO的八個吸收峰中，有3個光吸收峰發(fā)生“紅移”，4個發(fā)生“藍(lán)移”，有一個峰消失，說明既有使峰位藍(lán)移的因素，又有使峰位紅移的因素存在。前者影響大，則總的結(jié)果是藍(lán)移，反之則紅移。量子尺寸效應(yīng)使吸收峰藍(lán)移。但是粒徑減小的同時，顆粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力會增加（內(nèi)應(yīng)力p=2γ/r，r為粒子半徑，γ為表面張力），這種壓應(yīng)力的增加會導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級間距變窄，這就導(dǎo)致電子由低能級向高能級及半導(dǎo)體電子由價帶到導(dǎo)帶躍遷引起的光吸收和吸收邊發(fā)生紅移。納米微粒發(fā)光1990年日本佳能研究中心的Tabagi發(fā)現(xiàn)，粒徑小于6nm的硅在室溫下發(fā)射可見光，而且隨粒徑的減小，發(fā)射帶強(qiáng)度增強(qiáng)并移向短波方向。隨后，其他一些體系也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。134理論解釋Tabagi認(rèn)為，硅納米微粒的發(fā)光是載流子的量子限域效應(yīng)引起的。Brus認(rèn)為，大塊硅不發(fā)光是它的結(jié)構(gòu)存在平移對稱性，由平移對稱性產(chǎn)生的選擇定則使得大尺寸硅不可能發(fā)光。當(dāng)硅尺寸小到6nm時，平移對稱性消失，因此出現(xiàn)發(fā)光形象。135納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì)納米微粒分散在分散介質(zhì)中形成分散物系（溶膠）。納米粒子此時又可以被稱之為膠體粒子或分散相。由于在溶膠中膠體的高度分散性和不均勻性使得分散物系具有特殊的光學(xué)特征。136丁達(dá)爾效應(yīng)最早就是在溶膠中發(fā)現(xiàn)的，即讓一束聚集的光線通過溶膠，在入射光的垂直方向上將可以看見一個發(fā)光的圓錐體。當(dāng)分散粒子的直徑大于投射光波的波長時，光投射到粒子上就反射。如果小于入射光的波長，光波可以繞過粒子而向各個方向上散射，即發(fā)出乳光。137雷利散射強(qiáng)度公式式中，λ是波長，N是單位體積中的粒子數(shù)，V為單個粒子的體積，n1和n2分別是分散相和介質(zhì)的折射率，I0是入射光的強(qiáng)度138特點(diǎn)1、散射光（乳光）強(qiáng)度與粒子的體積成正比。所以真溶液乳光很弱。