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小尺寸效應(Small size effect),當顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時,晶體周期性的邊界條件將被破壞,非晶態納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少,導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現新的物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言,尺寸變小,同時其比表面積亦顯著增加,從而產生如下一系列新奇的性質。

1光學性質

當黃金被細分到小於光波波長的尺寸時,即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上,所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小,顏色愈黑,銀白色的鉑(白金)變成鉑黑,金屬鉻變成鉻黑。由此可見,金屬超微顆粒對光的反射率很低,通常可低於l%,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料,可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。此外又有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等。
與常規大塊材料相比,納米微晶的吸收和發射光譜存在著藍移現象,即移向短波方向。納米碳化硅顆粒比大塊碳化硅固體的紅外吸收頻率峰值藍移了20cm-1,而納米氮化硅顆粒比大塊氮化硅固體的紅外吸收頻率峰值藍移了14cm-1。

2熱學性質

在納米尺寸狀態,具有減少了空間維數的材料的另一種特性是相的穩定性。當人們足夠地減少組成相的尺寸的時候,由於在限制的原子系統中的各種彈性和熱力學參數的變化,平衡相的關係將被改變。固體物質在粗晶粒尺寸時,有其固定的熔點,超細微化后,卻發現其熔點顯著降低,當顆粒小於10nm時變得尤為顯著。如塊狀的金的熔點為1064℃,當顆粒尺寸減到10nm時,則降低為1037℃,降低27℃,2nm時變為327℃;銀的常規熔點為690℃,而超細銀熔點變為100℃,因此銀超細粉製成的導電漿料可在低溫下燒結。這樣元件基片不必採用耐高溫的陶瓷材料,甚至可用塑料替代。採用超細銀粉漿料,可使膜厚薄均勻,覆蓋面積大,既省料質又高。100~1000nm的銅、鎳納米顆粒製成導電漿料可代替鈀與銀等貴重金屬。納米顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業也具有一定的吸引力。例如,在鎢顆粒中附加0.1%~0.5%重量比的納米鎳顆粒后,可以使燒結溫度從3000℃降低到1200℃~1300℃,以致可在較低的溫度下燒製成大功率半導體管的基片。

3磁學性質

人們發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒,使這類生物在地磁場導航下能辨別方向,具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤,生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明,在趨磁細菌體內通常含有直徑約為 2′10-2微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同,大塊的純鐵矯頑力約為 80安/米,而當顆粒尺寸減小到 2′10-2微米以下時,其矯頑力可增加1千倍,若進一步減小其尺寸,大約小於 6′10-3微米時,其矯頑力反而降低到零,呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已作成高貯存密度的磁記錄磁粉,大量應用於磁帶、磁碟、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性,人們已將磁性超微顆粒製成用途廣泛的磁性液體。

4力學性質

陶瓷材料在通常情況下呈脆性,然而由納米超微顆粒壓製成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面,界面的原子排列是相當混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明,人的牙齒之所以具有很高的強度,是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3~5倍。至於金屬一陶瓷等複合納米材料則可在更大的範圍內改變材料的力學性質,其應用前景十分寬廣。
超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

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