纳米材料：晶粒尺寸为纳米量级的超细材料，其基本颗粒直 径不到100nm。微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。 包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十 个纳米的粒子；二是粒子间的界面。界面原子占极大比例， 从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。 纳米材料的两个重要特征：纳米晶粒和高浓度晶界。 纳米晶粒中的原子排列已不能看作长程有序。 高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁 性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。

　　目前纳米材料的结构研究主要集中在界面结构、晶粒结 构及结构稳定性等方面。 *界面结构

　　界面结构包含大量缺陷，影响甚至决定了材料的性能。 界面结构极其复杂，与材料的制备方法和制备历史有关。  对于多孔固体，在总的孔隙率达到一定值后，若孔尺寸足 够小，也会表现出孔的尺寸效应和表面效应，从而产生一系 列异于体相的性质。这种固体称为纳米介孔固体(mesoporous solid)。纳米介孔固体由于其巨大的内表面积和均匀 的孔尺寸，使其在催化和分离科学中有重要的应用。

　　格莱特首次采用金属蒸发凝聚-原位冷压成型法制备纳米晶 以来，随后发展了各种物理、化学制备方法，如机械球磨 法、非晶晶化法、水热法、溶胶-凝胶法等等。 理论上任何能制造出精细晶粒多晶体的方法都可用来制造 纳米材料。

　　主要由纳米粒子簇的制备、压制和 烧结三个环节组成，其中纳米粒子 簇的制备是其技术的关键。 在一个充满氦气的超高真空室内蒸 发一金属或金属混合物，超高真空 室上方有一竖直放臵的放有液氮的 指状冷阱。将蒸发源加热蒸发，产 生原子雾，与惰性气体原子碰撞失 去动能，并在液氮冷却棒上沉积下 来，将这些粉末颗粒刮落到一密封 装臵中。然后对颗粒加压成型。 得的纳米固体，其原子排列接近于 非晶态到晶态之间过渡。

　　纳米材料 1.团簇、纳米粒子与粉体 2.纳米碳管和一维纳米材料 3.纳米薄膜、超晶格薄膜和多孔膜 4.纳米晶块材料 问题： 规模制备中的质量控制--

　　目前人们对纳米材料进行了大量研究，重点是三维 结构的纳米固体，其次是层状纳米结构，而对线状纳 米纤维则研究得较少。 纳米材料的微粒尺寸一般在10-100nm之间，微粒可 以是晶体，亦可以是非晶体，故有纳米晶和纳米非晶 之分。 制备状态多数为粉末，需压制烧结成块体。也可以 直接是块体或薄膜，或纳米颗粒附着在载体之上。

　　 早期格莱特等人利用多种结构分析手段(如X射线衍射 、中子散射、穆斯堡尔谱、EXAFS、正电子湮没等)对纳 米材料的界面结构进行了深入研究后，认为纳米晶界面具 有较为开放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大 ，原子密度较低。晶界结构既非晶态的长程有序，也不是 非晶态的短程有序，是一种类似于气态的更无序的结构。

　　1）熔点将大大下降，如：Au的熔点：由1100℃（块体）降 为320℃（颗粒~2nm），为难熔金属的冶金提供了新工艺。 2 ） 降 低 材 料 的 烧 结 温 度 ， 如 ： 纳 米 SiC 的 烧 结 温 度 可 从 2000℃降到1300℃。 3）由于在纳米晶晶界存贮大量自由能，形成了晶粒长大的 驱动力。Gunther等发现纯纳米晶Cu、Ag和Pd在比重结晶温 度低得多的温度下开始长大。Getsmant和Birringer把纳米晶 Cu材料在室温下放臵一个月，观察到了晶粒的异常生长。长 出的粗晶粒尺寸分布很广，大多数小于1um，但有些大于 2um。包围着粗晶粒的纳米晶粒尺寸在10-50nm。 4）纳米晶的热稳定性与材料的结构特性密切相关，如晶粒 尺 寸 和 分 布 、 晶 粒 组 织 结 构 、 界 面 特 征 、 三 结 点 ( triple junction)、样品中的孔隙等。

　　凝聚态物理中相关的有趣问题： • 电子强关联，电子和激子的强相互作用 • 强场作用下的物理过程 • 快过程的体系 • 相互作用与体系的尺寸和形状有关 纳米材料研究中的挑战： • 单分散的纳米粒子或纳米线的可控制备：成分、尺寸、 形状、取向的精确控制 • 定点生长和自组装过程的机理和动力学过程 • 受限的少数电子、原子或分子体系的统计物理 • 时间和空间多尺度耦合的模型和理论，多种物理、化学 及生物学现象的耦合过程和机理 • 纳米尺度内物理、化学性质的原位和实时测量

　　当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近 电子能级由准连续变为离散能级；纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子 轨道能级，能隙变宽现象等均被量子尺寸效应。 对纳米微粒，所包含原子数N值很小，导致能级间距有一定 值。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子 能量或超导体的凝聚能时，会导致纳米微粒磁、光、声、 热、电以及超导电性与宏观特性有着明显的不同。 如：纳米微粒的比热、米乐M6 米乐磁化率与所含的电子的奇偶性有 关、光谱线的频移、催化性质与所含的电子奇偶性有关 ，导体变绝缘体等。

　　当超细粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导 态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体 周期性边界条件被破坏，导致声、光、电、磁、热力 学等特性呈现新的小尺寸效应。 如，光吸收显著增加，磁有序态向磁无序态的转变， 超导相向正常相转变，声子谱发生变化，金属熔点降 低，增强微波吸收等。 *用高倍率电子显微镜对金微粒(2nm)的结构非稳定性 进行观察，实时记录颗粒形态的变化，发现颗粒形态 可以在单晶与多晶、孪晶之间连续地转变。

　　纳米材料跟普通材料都是由同样的原子组成，这些原子 排列成了纳米级的原子团，成为新材料的结构单元。 牛顿力学只适用于低速的宏观物体，高速运动只能 用相对论来解释; 在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、 定理、方式、方法，都将不再适用，世界将是另一 模样。

　　社会和经济可持续发展的要求：节省材料、能源和空间 ↂ PC 数量以100%速度增长，2010年时PC年耗电

　　• 可发现独特的性质、现象和过程----对自然的深 入理解 • 实现多学科的交叉

　　托马斯(Thomas)和西格尔等人认为纳米材料的界面结构 与普通多晶材料在本质上没有太大差别。他们利用高分辨 电镜(HREM)对纳米晶样品进行细致观察，发现纳米晶体 的晶界与普通大角晶界非常相似。

　　*晶粒结构 （由于界面组分在纳米材料中占有很大的比例，因而在结 构和性能分析时，往往忽略晶粒而只考虑界面的作用）。 但一些研究表明：纳米尺寸的晶粒结构与完整晶格也有很 大差异。纳米晶粒由于尺寸超细，在一定程度上表现出晶 格畸变效应。由非晶晶化形成的纳米晶Ni3P和Fe2B化合物 的点阵常数研究表明，纳米尺寸晶粒的点阵常数偏离了平 衡值。这表明纳米尺 寸晶粒发生了严重的 晶格畸变，而总的单 胞体积有所膨胀。在 纯单质纳米晶体Se样 品中也发现，当晶粒 尺寸小于10nm时，晶 格膨胀高达0.4％。

　　1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、 “原子”、绘出中国轮廓图。

　　久保(Kubo)理论（针对金属超微颗粒费米面附近电子能 级状态分布而提出来的） 把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺 寸限制的简并电子态，进一步假设它们的能级为准粒子 态的不连续能级，认为相邻电子能级间距δ和金属纳米 粒子的直径d的关系为：

　　1959年，费曼在加州理工大学发表了题为《在底部还有很 大空间》的演讲。

　　他提出：人类社会目前的生产方式，总是“从上而下”的 。为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进 行组装，达到我们的要求？……物理学的规律不排除一个 原子一个原子制造物体的可能。 1981年，德国科学家发明了扫描隧道显微镜(STM), 人类 从此可以直观地观察到单个原子。实现第一步！ 第二步就是能够操纵原子。 1990年 ， 美 国 加 州 IBM实验室 ，将 35个氙原子排布成 “IBM”３个字母，总面积只有几个平方纳米。 人类第一次实现了操纵单个原子，拉开纳米科技的序幕。

　　N为金属纳米粒子的总导电电子数，EF为费米能级。 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大。 能隙变宽到一定的程度，金属导体将变为绝缘体。

　　纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增 大后，引起性质的变化。

　　粒径10nm，表面原子的比例迅速增加。粒径1nm，表面原子 数约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。 由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表 面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很 高的化学活性。