納米物理與化學(xué)(納米材料的物理化學(xué)特性)
1.納米材料的物理化學(xué)特性
納米是英文namometer的譯音，是一個(gè)物理學(xué)上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當(dāng)于45個(gè)原子排列起來(lái)的長(zhǎng)度。
通俗一點(diǎn)說(shuō)，相當(dāng)于萬(wàn)分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。就象毫米、微米一樣，納米材料是指由尺寸小于100nm(0.1-100nm)的超精細(xì)顆粒構(gòu)成的材料的總稱。
由于納米尺寸的物質(zhì)具有突出的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，納米是一個(gè)尺度概念，并沒(méi)有物理內(nèi)涵。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能，因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能。
這種既具不同于原來(lái)組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒(méi)有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。
過(guò)去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度范圍的性能。第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過(guò)研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來(lái)的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。
磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來(lái)高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。
2.納米技術(shù)屬于物理化學(xué)知識(shí)嗎
要注意的是技術(shù)和知識(shí)是不同領(lǐng)域的概念，所謂納米技術(shù)，是通過(guò)一系列的工藝，生產(chǎn)出構(gòu)成粒子直徑在1--100nm范圍的物質(zhì)的手段或方法等，這種生產(chǎn)納米物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)，而納米物質(zhì)由于它體現(xiàn)出的一些性質(zhì)，使人們大開(kāi)眼界，使人們認(rèn)識(shí)到，物質(zhì)世界竟如此奧妙，物質(zhì)的不連續(xù)性，物質(zhì)由粒子構(gòu)成等觀念有了長(zhǎng)足的發(fā)展，構(gòu)成物質(zhì)的粒子的幾何指標(biāo)，既它們的尺寸大小，竟然還如此左右著物質(zhì)的性質(zhì)，使人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)又大大前進(jìn)了，在原有的原子、分子、離子等的認(rèn)識(shí)上又前進(jìn)了一大步，所以，納米物質(zhì)的出現(xiàn)，使人們?cè)谖锢?、化學(xué)、生物等知識(shí)領(lǐng)域開(kāi)辟了更廣闊的性天地，如人們發(fā)現(xiàn)納米銅的性質(zhì)和通常的銅的性質(zhì)是大不相同的。
而這一切是原有的知識(shí)是難以解釋的。
3.納米技術(shù)屬于物理化學(xué)知識(shí)嗎
要注意的是技術(shù)和知識(shí)是不同領(lǐng)域的概念，所謂納米技術(shù)，是通過(guò)一系列的工藝，生產(chǎn)出構(gòu)成粒子直徑在1--100nm范圍的物質(zhì)的手段或方法等，這種生產(chǎn)納米物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)，而納米物質(zhì)由于它體現(xiàn)出的一些性質(zhì)，使人們大開(kāi)眼界，使人們認(rèn)識(shí)到，物質(zhì)世界竟如此奧妙，物質(zhì)的不連續(xù)性，物質(zhì)由粒子構(gòu)成等觀念有了長(zhǎng)足的發(fā)展，構(gòu)成物質(zhì)的粒子的幾何指標(biāo)，既它們的尺寸大小，竟然還如此左右著物質(zhì)的性質(zhì)，使人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)又大大前進(jìn)了，在原有的原子、分子、離子等的認(rèn)識(shí)上又前進(jìn)了一大步，所以，納米物質(zhì)的出現(xiàn)，使人們?cè)谖锢?、化學(xué)、生物等知識(shí)領(lǐng)域開(kāi)辟了更廣闊的性天地，如人們發(fā)現(xiàn)納米銅的性質(zhì)和通常的銅的性質(zhì)是大不相同的。
而這一切是原有的知識(shí)是難以解釋的。
4.納米的知識(shí)
納米（nm），又稱毫微米，是長(zhǎng)度的度量單位，1納米=10^-9米。
納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國(guó)際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計(jì)量學(xué)等6個(gè)分支學(xué)科。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。
納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新興科技，其最終目標(biāo)是人類按照自己的意識(shí)直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界。這表明，人類正越來(lái)越向微觀世界深入，人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。
5.物理方法和化學(xué)方法制備出的納米材料在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別
壓根是兩類概念。
納米材料是從大小尺寸出發(fā)的，可以是無(wú)機(jī)的，也可以是有機(jī)的；而高分子材料是從化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)的，分子量高，聚合度高。大多都是有機(jī)的，單體具有可以反應(yīng)的官能團(tuán)或不飽和度才能合成。
回到問(wèn)題：
1.從制備方法來(lái)說(shuō)，納米材料可以是物理方法也可以是化學(xué)方法；但高分子材料一定是化學(xué)方法。
2.從組成來(lái)說(shuō)，納米材料可以是無(wú)機(jī)金屬、無(wú)機(jī)非金屬、有機(jī)都可以；但高分子一定是有機(jī)或無(wú)機(jī)非金屬材料。
3.從形態(tài)而言，納米材料大多有固定形態(tài)，而高分子既有固定形態(tài)的，又有無(wú)定形的。
4.從性能而言，納米材料具有量子隧道效應(yīng)（共四個(gè)，自己查量子效應(yīng)），普通高分子沒(méi)有。高分子的粘彈性和玻璃化轉(zhuǎn)變是普通納米材料不具有的。
6.納米材料的基本知識(shí)
從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。 納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的，后來(lái)相繼問(wèn)世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。 納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料（nanometer material），是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。 納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（nano particle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的稀土納米材料
光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。 納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。 納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。 納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來(lái)原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。 就熔點(diǎn)來(lái)說(shuō)，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。 一般常見(jiàn)的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無(wú)法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí)，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí)，將成為優(yōu)異的磁性材料。 納米粒子的粒徑（10納米~100納米）小于光波的長(zhǎng)，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強(qiáng)烈對(duì)比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。 納米技術(shù)在世界各國(guó)尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國(guó)家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國(guó)已努力趕上先進(jìn)國(guó)家水平，研究隊(duì)伍也在日漸壯大。
