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纳米尺寸效应

纳米是长度单位，原称毫微米，就是10^-9米（10亿分之一米）。纳米科学与技术，有

时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米效应

就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到

某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。

这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，

以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面

积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占

的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于

0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方

米，这时的表面效应将不容忽略。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直

径为2*10^-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的

变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般

固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了

沸腾“”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定

的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要

防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的

氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮

气材料以及低熔点材料。

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。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增

加，从而产生如下一系列新奇的性质。

（1）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽

而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白

色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，

通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、

光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感

元件、红外隐身技术等。

（2）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发

现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，

当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银

的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料

可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细

银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～

1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对

粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒

后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率

半导体管的基片。

（3）特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生

物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁

性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。

通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2′10-2微米的磁性氧化物

颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，

而当颗粒尺寸减小到2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，

大约小于6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具

有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁

性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。