16.4 纳米技术纳米技术16.4.1纳米材料的性能特点纳米材料的性能特点1表面与界面效应表面与界面效应 这这是是指指纳纳米米晶晶体体粒粒表表面面原原子子数数与与总总原原子子数数之之比比随随粒粒径径变变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例例如如粒粒子子直直径径为为10纳纳米米时时，微微粒粒包包含含4000个个原原子子，表表面面原原子子占占40%；粒粒子子直直径径为为1纳纳米米时时，微微粒粒包包含含有有30个个原原子子，表表面面原原子子占占99%。主主要要原原因因就就在在于于直直径径减减少少，表表面面原原子子数数量量增增多多。再再例例如如，粒粒子子直直径径为为10纳纳米米和和5纳纳米米时时，表表面面积积比比分分别别为为90平平方方米米/克克和和180平平方方米米/克克。如如此此高高的的表表面面积积比比会会出出现现一一些些极极为为奇奇特特的的现现象象，如如金金属属纳纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等 2小尺寸效应小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出磁，热力学等性能呈现出“新奇新奇”的现象。的现象。 例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却纳米时却开始导电。开始导电。高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬石制品还要坚硬 3量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。电性能变化。 例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。水就会变得完全不透明。 4宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。16.4.2 纳米材料的应用纳米材料的应用纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用等广泛的领域得到应用 包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。行业中的应用奠定了基础。 比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的仪、宇宙飞行器的“头盔头盔”，可制得，可制得“摔不碎摔不碎的酒杯的酒杯”或或“摔不碎的碗摔不碎的碗”等。纳米塑料，是等。纳米塑料，是一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比碳钢强碳钢强46倍，比重仅为钢铁的倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，良好透光，不发生变形情况。如用纳米塑料制造一台汽车，不发生变形情况。如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。还有所。还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。