纳米材料与技术- 纳米微粒的基本特性.doc

第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构纳米态:物质的第?态! 区别于固、液、气态,也区别于“等离子体态”(物质第四态)、地球内部的超高温、超高压态(物质第五态), 与“超导态”、“超流态”也不同。纳米态的物质一般是球形的。物质在球形的时候, 在等体积的条件下,它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高,有着很好的强关联性。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 2nm )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。纳米微粒一般为球形或类球形,可能还具有其他各种形状(与制备方法有关)。纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同,内部的原子排列比较整齐,但有时也会出现很大的差别:高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。二、纳米微粒的基本特性 ,其熔点是固定的; 超细微化后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。大块 Pb 的熔点为 600K ,而 20nm 的的球形 Pb 微粒熔点降低 288K 。 Ag的熔点:常规粗晶粒为 960 ?C;纳米Ag粉为 100 ?C Cu 的熔点:粗晶粒为 1053 ?C;粒度 40nm 时为 750 ?C 纳米微粒的熔点降低:由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全、活性大,因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多,使纳米微粒的熔点急剧下降。应用: 降低烧结温度。纳米微粒尺寸小,表面能高, 压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面中的孔洞收缩,空位团的湮没,因此,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,即烧结温度降低。(烧结温度:指把粉末先用高压压制成形、然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块、密度接近常规材料的最低加热温度。) ①抗磁性( ism ) ②顺磁性( ism ) ③铁磁性( ism ) ④反铁磁性( ism ) ⑤亚铁磁性( ism ) 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(实质上是一个生物磁罗盘),使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。小尺寸的超微颗粒的磁性与大块材料的有显著不同。 i)超顺磁性:纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,这时磁化率?不再服从常规的居里-外斯定律。例如:?-Fe 、 Fe 3O 4和?-Fe 2O 3 粒径分别为 5nm 、 16n m 和 20nm 时变成顺磁体。 Ni粒径小于 15nm 时,矫顽力 Hc →0,说明进入了超顺磁状态。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。超顺磁状态的原因:由于小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化方向作无规律的变化,结果导致超