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「介觀(mesoscopic)」這個辭彙,由Van Kampen於1981年所創,指的是介乎於微觀和宏觀之間的狀態。 因此,介觀尺度就是指介於宏觀和微觀之間的尺度;一般認為它的尺度在納米和毫米之間。 介觀尺度常常在介觀物理學中被提到,而且在凝聚態物理學近年來發展中被廣泛應用。

1 介觀尺度 -概述

 

介觀尺度介觀尺度

介觀體系一方面它們有我們熟悉的微觀屬性,表現出量子力學的特徵;可另一方面,它的尺寸又幾乎是宏觀的。一般來說,宏觀體系的特點是物理量具有自平均性:即可以把宏觀物體看成是由許多的小塊所組成,每一小塊是統計獨立的,整個宏觀物體所表現出來的性質是各小塊的平均值如果減小宏觀物體的尺寸,只要還是足夠大,測量的物理量,例如電導率,和系統的平均值的差別就很小。當體系的尺寸小到一定的程度,不難想象,由於量子力學的規律,宏觀的平均性將消失。人們原來一般認為這樣的尺寸一般是原子的尺寸大小,或者說晶體中一個晶格的大小,最多不過幾個晶格的尺寸大小。但是80年代的研究表明,這個尺度的大小在某些金屬中可以達到微米的數量級,並且隨著溫度的下降還會增加,它已經超出了人們的預料之外,屬於宏觀的尺大小。

因此,介觀物理是一個介於宏觀的經典物理和微觀的量子物理之間的一個新的領域。在這一領域中,物體的尺寸具有宏觀大小,但具有那些我們原來認為只能在微觀世界中才能觀察到的許多物理現象。因面介觀物理涉及量子物理、統計物理和經典物理的一些基本問題。在理論上有許多方面有待深入研究。從應用的角度看,介觀物理的研究一方面可以給出現有器件尺寸的減小的下限,這時候原來的理論分析方法如歐姆定律已經不再適用;另一方面,新發現的現象為製作新的量子器件也提供了豐富的思想,也許會成為下一代更小的集成電路的理論基礎。

2 介觀尺度 -應用

無論是傳導纖維,還是各種仿生膜,乃至微球結構,它們也都處於介觀尺度,正是這些尺度效應才賦予具有這些結構的材料各種不同的智能。其中最重要的是納米尺度的結構。這些結構包括納米微球、微囊、納米纖維(導線,導管)、納米膜、納米器件(納米感測器,納米機械人)等,同時還包括如晶粒結構、液晶結構、晶界結構,這些結構同樣對材料的智能化起著極其重要的作用。
生物活體在受到損傷時,具有自修復能力,因此我們在設計和構思智能材料時,也希望實現自修復功能。當材料受到損傷,材料內的微孔就有可能擴展成較大的裂縫,裂縫縫尖處形成應力集中,如果在微孔內預埋裂縫擴展時能發生相變的物質或能促進氧化過程的物質,就可能有效地抑制裂紋發展。例如,在鑰鋼內分散氧化鎊粒子,產生裂縫時。在裂縫尖端產生的壓縮壓力作用下,氧化鐵誘發相變,由正方晶系的t相轉變為單料晶系的m相,此時體積膨脹,可抑制裂紋發展,使材料的斷裂韌性值X1c提高。這類材料中所用分散粒子的粒徑為50nm。這是因為從材料損傷的原子水平或原子集團的介觀水平來看,裂縫尖端所產生的塑性變形是與原子線缺陷的轉位相關,且塑性變形的最小位移為20nm。此點已為掃描隧道顯微鏡所證實。因此,在考慮上述裂縫的自修復功能設計時,分散的粒子應在20nm左右並相互匹配。另外,在考慮對裂縫尖端氧化膜的修復時,使其形成的膜厚處於納米尺寸即中介相(mesophase)領域,此時因具有量子尺寸效應,氧化膜可起到抑制裂縫擴展最好的效果。
同樣在電色材料的研究中,介觀納米尺寸的晶粒及其晶界是構成電色材料優異性能的關鍵所在。材料在納米領域的電子狀態、化學健合性、物質傳遞控制和利用等與其智能化相關。胡行方等在高頻反應濺射氧化鎳電變色薄膜的研究中發現,其電變色性能對沉積條件極為敏感,通過控制其沉積工藝參數,使該薄膜由粒徑為5—10nm的氧化鎳納米微粒組成時,則得電變色性能優異的氧化鎳薄膜。其高分辨電子顯微鏡的結構照片顯示:每個晶粒都具有清晰的晶格像,另外薄膜中存在大量較為複雜的晶界,由於納米材料界面具有高擴散係數和在臨界尺寸下表現出強烈光吸收等特性,可認為氧化鎳納米多晶微粒的界面在薄膜的變色過程中起著極為重要的作用。而氧化鎳薄膜的電變色反應是由於鹼金屬離子與電子在薄膜中共注入與共抽出導致氧化鎳非化學計量紹分(氧化態)變化的結果,涉及離子注入和拍出的薄膜漂白和著色過程是一個在電場驅動下離子沿晶界的擴散過程。而薄膜中納米微粒界面連通則形成離子遷移通道。此氧化鎳電變色薄膜納米結構研究為介觀尺度在智能材料的開發提供了思路。

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