納米金屬材料

概述

納米固體中的原子排列既不同於長程有序的晶體，也不同於長程無序、短程有序的“氣體狀”固體結構，是一種介於固體與分子間的亞穩中間態物質。因此，一些研究人員把納米材料稱之為晶態、非晶態之外的“第三態晶體材料”。正是由於納米材料這種特殊的結構，使納米材料科學與技術之產生四大效應，即小尺寸效應、量子效應(含巨觀量子隧道效應)、表面效應和界面效應，從而具有傳統材料所不具備的物理、化學性能，表現出獨特的光學、電學、磁學、催化、化學特性和超導性能等特性，使納米材料在國防、電子、化工、冶金、輕工、航空、陶瓷、核技術、催化劑、醫藥等領域具有重要的套用價值。

納米金屬的小尺寸效應

由於顆粒尺寸變小所引起的巨觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對納米顆粒而言，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。例如金屬納米顆粒對光吸收顯著增加，與大尺寸固態物質相比納米顆粒的熔點會顯著下降，例如，2nm的金屬顆粒熔點為600K，隨著粒徑增加，熔點迅速上升，塊狀金屬為1337K。還有，小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料有明顯的區別。一般固體的熱運動僅限於晶格振動，固體本身並不運動。而對於納米金屬粒子，除了晶格振動以外，顆粒整體也振動，結果使納米金屬粒子比導體中的電子自由程小，其磁疇比強磁性物質的磁疇小，有時甚至小於磁疇，從而呈單磁疇結構。

納米金屬的量子效應

量子效應包括量子尺寸效應和巨觀量子隧道效應。

(1)量子尺寸效應。大塊材料的能帶可以看成是連續的，而介於原子與大塊材料之間的納米材料的能帶將分裂為分立的能級。能級間的間距隨顆粒尺寸的減小而變大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時就會呈現出一系列與巨觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。如導電的金屬在納米顆粒狀態時變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會發生反常變化等。

(2)巨觀量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米金屬粒子也具有這種效應，故稱為巨觀量子隧道效應。