第二章 纳米材料的基本效应

《纳米材料导论》作业1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。

它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。

纳米材料通常按照维度进行分类。

原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。

纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。

按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。

2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。

答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。

出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。

例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。

二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。

例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。

三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。

引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。

四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。

简述纳米材料的基本物理效应1. 引言嘿，朋友们，今天咱们聊聊纳米材料，这可是一块神奇的“魔法砖”！说到纳米材料，可能有人会挠挠头，觉得它离我们生活很远，但其实，它们就像那些隐形的超人，默默地改变着我们的世界。

从手机到太阳能电池，从药物到化妆品，纳米材料无处不在。

要说它们有啥特别的，那就得从它们的基本物理效应聊起了。

2. 纳米效应的秘密2.1 量子效应首先，咱们得提到量子效应，这可是纳米世界的一大特色。

简单来说，纳米材料的尺寸小到离谱，通常只有一纳米到几百纳米之间。

这种小小的尺寸让材料的行为和大块头的物体大相径庭。

就好比你看见一个大象和一只蚂蚁走路的方式完全不同，纳米材料也有自己独特的“走路”方式。

比如，电子在这些小小的材料中运动时，不再遵循传统的物理规律，而是玩起了“躲猫猫”，形成了量子限制效应。

这使得纳米材料在光学、电子学上表现得特别出色。

2.2 表面效应再说说表面效应。

这就像是你买了一块超大披萨，切成小块后，每一小块的边缘都是你味蕾的狂欢。

纳米材料的表面积相对体积大得惊人，这意味着它们和周围环境的互动也变得更加活跃。

比如，纳米颗粒在催化反应中可以大显身手，因为它们的表面能和反应物“聊得特别来”，加速反应速度。

这种表面效应使得纳米材料在化学反应、药物输送等方面表现得尤为突出。

3. 热效应与光效应3.1 热效应说到热效应，这就有趣了。

纳米材料在吸热和散热方面的能力也是一绝，仿佛有自己的温度调控器。

有些纳米材料在加热时会表现出超导性，哎，听起来有点复杂，但简单来说，就是它们能让电流流动得像风一样顺畅，几乎没有阻力。

这让它们在电子产品和能源存储中成为了新宠儿，简直是科技界的小明星。

3.2 光效应接下来，咱们聊聊光效应。

纳米材料在光的操控上也是一把好手。

它们可以调节光的传播、吸收和反射，就像调音师调节乐器音色一样，能让光线变得绚丽多彩。

比如，某些纳米材料可以在特定波长的光下发光，甚至可以用在显示屏和激光器上，给我们的视觉享受增添了一抹绚丽的色彩。

纳米材料的四个基本效应转载▼纳米材料由纳米离子组成，纳米离子一般是指尺寸在1-100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，是一种典型人界观系统，它具有如下四方面效应，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性质。

1、表面效应粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。

这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。

表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。

2、量子尺寸效应指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象。

这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

3、体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期的边界条件将破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化。

如光吸收显著增加并产生吸收峰的等粒子共振频移，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变等。

4、宏观量子隧道效应宏观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观的量子隧道效应MQT （Macroscopic Quantum Tunneling）。

这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些反常现象，如金属为导体，但纳米金属微粒在低。

纳⽶材料与技术-纳⽶微粒的基本理论第⼆章纳⽶微粒的基本理论⼀、⼩尺⼨效应⼆、表⾯效应三、量⼦尺⼨效应四、宏观量⼦隧道效应五、库仑堵塞效应六、介电限域效应⼀、⼩尺⼨效应随着颗粒尺⼨的量变，在⼀定条件下会引起颗粒性质的质变。

由于颗粒尺⼨变⼩所引起的宏观物理性质的变化称为⼩尺⼨效应（体积效应）。

对超微颗粒⽽⾔，尺⼨变⼩，就会产⽣如下⼀系列新奇的性质：当微粒的尺⼨与光波波长、电⼦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，晶体周期性的边界条件将被破坏，微粒表⾯层附近的原⼦密度减⼩，导致材料的磁性、光吸收、化学活性、催化特性以及熔点等与普通粒⼦相⽐有很⼤变化，这就是纳⽶粒⼦的⼩尺⼨效应。

1. 尺⼨与光波波长（⼏百nm ）相当颗粒光吸收极⼤增强、光反射显著下降(低于1%)；⼏个nm 厚即可消光，⾼效光热、光电转换 ? 红外敏感、红外隐⾝固体在宽谱范围内对光均匀吸收光谱蓝移(晶体场)、新吸收带等。

2. 与电⼦德布罗意波长相当铁电体 ? 顺电体；多畴变单畴，显出极强的顺磁性。

20nm 的Fe 粒⼦(单磁畴临界尺⼨)，矫顽⼒为铁块的1000倍，可⽤于⾼存储密度的磁记录粉；但⼩到6nm 的Fe 粒，其矫顽⼒降为０，表现出超顺磁性，可⽤于磁性液体（润滑、密封）等离⼦体共振频移（随颗粒尺⼨⽽变化）：改变颗粒尺⼨，控制吸收边的位移，制造具有⼀定频宽的微波吸收纳⽶材料（电磁波屏蔽、隐型飞机等）纳⽶磁性⾦属磁化率提⾼20倍（记录可靠）；饱和磁矩仅为1/2(更易擦除)。

3. 晶体周期性丧失，晶界增多熔点降低（2nm 的⾦颗粒熔点为600K ，随粒径增加，熔点迅速上升，块状⾦为1337K ；纳⽶银粉熔点可降低到373K ）? 粉末冶⾦新⼯艺界⾯原⼦排列混乱→易变形、迁移表现出甚佳的韧性及延展性纳⽶磷酸钙构成⽛釉，⾼强度、⾼硬度纳⽶Fe 晶体断裂强度提⾼12倍；纳⽶Cu 晶体⾃扩散是传统的1016-19倍；纳⽶Cu 的⽐热是传统Cu 的2倍；纳⽶Pd 的热膨胀系数提⾼⼀倍；纳⽶Ag ⽤于稀释致冷的热交换效率提⾼30%，等等。

纳米材料的特异效应及应用摘要：介绍了纳米材料所独有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效以及介电限域效应，这些效应使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。

综述了纳米材料在催化、传感、磁性、食品、化妆品、生物医学等方面的应用，叙述了纳米材料在科学技术发展和社会进步中所起到的重要作用，并说明了它还将有更广阔的应用前景。

关键词：纳米材料；基本效应；应用Nanostructured material’s special effects andits applicationsAbstract：The particular small size effect，surface effect，quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect and dielectric confinement effect with nanometer materials are presented . As a result of these effects，nanometer materials possess some special properties which normal materials do not have as far as magnetics ，optics ，electronics ，and sensitivity，ect . are concerned . The application of nanometer in the catalytics ，sensitivity ，magnetics，food ,cosmetics and biomedicine，and so on are summarized . And t he important role of nanometer material in science and technology development and social progress is described. The application prospect of nanometer materials is also illustrated.Key words：nanometer materials ；basic effect ；application1984年德国科学家Gleiter首先制成了金属纳米材料，同年在柏林召开了第二届国际纳米粒子和等离子簇会议，使纳米材料成为世界性的热点之一；1990年在美国巴尔的摩召开的第一届NST会议，标志着纳米科技的正式诞生；1994年在德国斯图加特举行的第二届NST会议，表明纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理等领域的焦点。

纳米材料的四个基本效应纳米材料，听起来是不是有点高大上？这些小家伙可真是科技界的“隐形冠军”。

你知道吗，纳米的意思就是十亿分之一，简直让人觉得这些材料像微型超级英雄一样。

它们不仅体型小，还拥有一些神奇的特性，今天咱们就来聊聊这四个基本效应，听起来可能有点复杂，但咱们就轻松点儿，别让脑子冒烟！咱们得说说量子效应。

这可是纳米材料的一大法宝。

它们小到连普通物质的行为都跟着变了，真是有趣！比如，当这些材料缩小到纳米级别时，它们的电子会被限制在小空间里，这样就能引起一些奇妙的变化。

你可以想象一下，就像是小朋友在狭窄的空间里玩耍，变得更加活跃，原本懒散的态度一下子就不见了，嘿，这就是量子效应给我们带来的新奇现象。

接下来要聊的是表面效应，别看名字简单，但它可是个大事儿。

这种效应说明，纳米材料的表面积相对体积是个大赢家！想想看，表面积大了，反应速度自然快了。

就像咱们吃东西，如果吃一块大蛋糕，可能觉得有点沉闷；可是如果分成小块，哎呀，吃得可欢了！这就是表面效应的魅力所在，材料的化学反应能力直接上升。

很多时候，科学家们会用这种特性来设计新的催化剂，提高反应效率。

你说，这多像个厨师，做菜时总得让食材多接触火，才能做出美味啊。

然后，再来说说量子隧穿效应。

听起来像是科幻电影里的情节，实际上却是纳米材料中经常发生的事情。

这个效应让粒子能“穿越”原本无法逾越的障碍，就像小孩子在跳绳时，有时能做到意想不到的高跳。

科学家们利用这个特性开发了更高效的电子器件。

想象一下，手机里的芯片能更快运行，真是让人拍手称快！未来的科技大潮中，这可是一块不容小觑的“宝藏”。

咱们得提提光学效应。

纳米材料对光的反应那可真是一绝。

有些纳米材料能吸收或散射特定波长的光，这就是它们的“光学效应”。

想象一下，一块材料在不同光线下竟然能变换颜色，简直就像变魔术！这些特性在太阳能电池和传感器中都有广泛应用，给科技增添了不少“色彩”。

通过调节这些材料的结构，咱们可以打造出更高效的光电设备，未来可期啊！所以说，纳米材料可真是科技的“宝藏”，它们的四个基本效应像四位高手，各有千秋，互相辉映。

纳米材料四大效应纳米材料是一种具有特殊尺寸和结构的材料，其尺寸在纳米尺度范围内，即1纳米（nm）等于十亿分之一米。

由于其独特的性质和应用潜力，纳米材料在科学研究和工业应用中引起了广泛的关注。

纳米材料具有四大效应，包括量子效应、表面效应、尺寸效应和量子尺寸效应。

一、量子效应量子效应是指纳米材料在纳米尺度下具有与宏观材料不同的性质和行为。

由于其尺寸接近电子波长，纳米材料的电子结构和能带结构发生变化，导致其电子、光学、磁学等性质呈现出新的特性。

例如，纳米材料的能带宽度增大，带隙变窄，电子输运性质改变，导致电子在材料中的行为呈现出量子级别的效应。

这种量子效应使得纳米材料在光电、催化、传感等领域具有广泛的应用前景。

二、表面效应纳米材料与宏观材料相比，其比表面积更大。

由于纳米材料的尺寸较小，其比表面积相对较大，使得纳米材料的表面原子或分子与外界环境之间的相互作用增强。

这种表面效应使得纳米材料在催化、吸附、储能等方面具有优异的性能。

例如，纳米金属催化剂具有较高的催化活性，纳米多孔材料具有较大的吸附容量，纳米材料的电极材料具有较高的储能密度。

三、尺寸效应纳米材料的尺寸在纳米尺度范围内，相对于宏观材料，其尺寸具有明显的差异。

这种尺寸效应使得纳米材料的物理、化学和力学性质发生变化。

例如，纳米颗粒的晶格缺陷比例增加，导致其力学性能下降；纳米材料的杨氏模量和热膨胀系数随尺寸的减小而发生变化。

尺寸效应使得纳米材料在材料加工、力学强化等方面具有独特的应用潜力。

四、量子尺寸效应当纳米材料的尺寸接近或小于其准束缚半径时，量子尺寸效应将显现出来。

量子尺寸效应是指纳米材料的电子、光学和磁学性质与其尺寸有关，呈现出量子级别的效应。

例如，纳米颗粒的能带结构呈现出禁带宽度的量子化现象，导致光学性质和能带结构的变化；纳米线和纳米薄膜的电子输运性质受到限制，呈现出量子隧穿效应。

量子尺寸效应使得纳米材料在信息存储、量子计算和光电器件等领域具有巨大的应用潜力。

纳米材料四大效应
纳米材料的四大效应包括：量子效应、尺寸效应、表面效应和量子限域效应。

1. 量子效应（Quantum Effect）：纳米尺度下，由于粒子的波
动性质变得显著，可能出现光电效应、磁电效应和量子隧穿效应等。

纳米材料的量子效应可以使电子能级发生分裂和禁能带展宽，从而改变材料的电子结构和光学特性。

2. 尺寸效应（Size Effect）：纳米材料尺寸在纳米尺度范围内，具有特殊的物理和化学性质。

纳米颗粒的尺寸效应主要体现在其形状、比表面积和热稳定性等方面。

纳米材料的尺寸效应能够影响材料的磁性、光学性质和力学性能等。

3. 表面效应（Surface Effect）：纳米材料比表面积大于宏观材料，纳米颗粒的表面活性较高。

纳米材料的表面效应主要体现在材料的催化活性、界面反应速率、光敏性和生物活性等方面。

表面效应可以改变纳米材料的化学反应动力学过程和表面能，从而影响材料的性质和应用。

4. 量子限域效应（Quantum Confinement Effect）：纳米材料的尺寸接近或小于电子的波长时，会引起量子限域效应。

量子限域效应使得纳米材料中的电子和光子受到限制或约束，使得纳米材料的能带结构和能级分布发生改变。

量子限域效应能够使纳米材料具有特殊的光电学、能量传输和传感等性质。

第二章纳米材料的基本效应§第一节表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。

纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。

1、比表面积的增加比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。

质量比表面积、体积比表面积(G代表质量，m2/g)(V代表颗粒的体积；m-1) 当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。

如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。

随着粒径减小，表面原子数迅速增加。

这是由于粒径小，总表面积急剧变大所致。

例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g，粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。

这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。

2. 表面原子数的增加由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表面的原子数也急剧增加．3．表面能由于表层原子的状态与本体中不同。

表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。

如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。

在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需的功叫表面功。

颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中。

因此，颗粒细化时，体系的表面能增加.。

由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。

例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。

下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。

图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假设颗粒为圆形，实心团代表位于表面的原子。