2018/8/17 15:03:08
新材料在线
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纳米材料由于自身材料晶粒的尺寸等级不同于普通量级的材料原子构成,材料研究与实验的过程会出现不同于我们普通材料的某些现象,掌握运用到这些基本的效应并把它运用到我们材料研究中,往往会出现一些我们研究范围之外的材料特性,给予我们的研究一些意外的收获。同时,对于这个效应的运用,也是一个纳米研究学者的重要学术指标。本文就简略地总结纳米材料的体积效应、表面效应、比表面积效应、表面能及表面结合能效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应六大效应及其在材料研究中的应用,供纳米研究学者参考和探索。
一、量子效应及其运用
纳米材料的量子效应是基于库勃理论(KUBO)提出的,库勃认为,当材料的结构进行纳米级尺寸超细微米研究范围内,费米面附近的电子能级会与常规粗块的费米面附近的电子能级表现出不同的特点,因为颗粒进入纳米级后会出现量子尺寸效应,而使原本大块的金属材料在准连续能级产生离散现象。当纳米晶粒的直径减少时,想要让晶粒错位的切应力就会增大两个以上的数量级,当晶粒的能隙高于一定数级时,热运动不能使电子透过能隙,电子的状态就会受到限制,表现出量子效应。这时,想要从超细和晶粒中取走、放入或者置换一个原子是十分困难的,但是对于金属的纳米材料而言,费米面附近的能隙比较其它的材料更小,所以只能晶粒小到一个更小的数量级,才会产生明显的量子效应。
量子效应在材料研究中,可以用在半导体材料中,半导体体相材料往往由于纳米晶粒的缩小,从而具有分立的结构,从而在电子的波动性能方面带来一些优于常规半导体材料的特性,一些研究甚至使其在催化、光催化方面具有光学非线性。
二、表面效应及其运用
表面效应是指纳米材料表面原子数目与体积内总原子数目之比,会随纳米晶粒的半径变小而迅速快速增大后,从而带来的材料性质上的特定对应变化的现象。实验的研究表明,当纳米微粒的半径小于5nm时,表面比例值将会迅速增加,增加的曲线将会呈现一个非常迅速的增加。到半径小于0.5nm(直径1nm时),表面比例会达到惊人的92%以上,几乎所有的原子全部纳米晶粒的表层,或者说,整个材料几乎以一层纳米晶粒构成,成为由单层原子构成的超薄材料。
表层原子的结合能与内部原子的结合能不同,表层原子与内部原子相比缺少一部分相临的原子,有大量可以供其它原子结合的悬空键能,这种不饱和的状态容易与其它原子结合形成一个稳定的结构,因为具有更强化学活性和催化性能,这种性能常用在制作纳米级的化学催化剂和纳米保护涂层。上海乾节科技现在主推的高浓缩纳米玻璃保护涂层,就运用了这个超强的吸咐功能,把纳米原子吸咐玻璃表层,使其具有超强防刮效应。
三、界面的比表面积效应及其运用
纳米随着纳米原子半径的减少,纳米晶粒的表层原子的比表面积(表面积/体积)也会随之大幅度的增加。实验室的数据表明,100g的达到100nm的纳米晶粒的表面总和达到10000m,这种巨大的改变对于需要充分接触材料来说,是一种不可忽视的效应。
纳米晶粒原子的比表面积效应,广泛运用于催化剂纳米材料的研发,具有不可替代的先天优势。
四、表面能、表面结合能效应及其运用
随着纳米晶粒粒子半径的减少,表面能和表面结合能同样以惊人的几个数量级增大。结合高的比表面积,表面纳米原子的数目越来越多,配位缺失导致的悬空键能,使表面的纳米原子处于一个极其活跃的状态,特别是当纳米级达到10nm以下时,这种活跃状态会极其强烈。这种活跃性对于一些特定的材料原子,会发生表层原子和自旋现象,引起输运方式、构型方式的改变,谱象的变化。
某些异常活跃的金属纳米原子,甚至在常温下也会发生自燃现象,对于气敏材料,这种现象也是提升其各方面性能的不错途径。在我们的纳米研性室中,上海乾节的纳米研究团队就在运用这一效应,无机的纳米粒子暴露在空气中会吸咐气体,并与气体发生反应的现象,加快我们纳米涂层与空气结晶时间,并通过减少纳米原子半径的方式,使我们涂层的结晶时间从原来的60s有效降低到30s.
作者简介
杨煊,笔名杨东泽,先后就读于北京大学、南开大学、天津商业大学,从事纳米材料行业多年,在纳米新材料应用方面有丰富经验。上海乾节科技创始人,任董事长兼CEO,乾节科技是有着先进和创新的纳米技术解决方案提供商,与世界顶级纳米技术实验室有着密切合作,不断在纳米涂层领域开发新的创新型产品。为多家文学平台签约诗人,号陆家嘴中央绿地里的抽象派哲理诗人,主要写作哲学散文、诗歌。
本文已获杨煊授权发布
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