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    从深度上理解纳米材料的重要性
    发布者:纳米科技世界论坛  日期:2012/4/20  点击:6961

    原文作者  Emil Roduner



        众所周知,金是闪光和不易退色的贵金属。它具有面心立方结构,是非磁性的。其熔点为1336K。但同样是金,微小颗粒的金则是不同的。当它的尺度非常小时,如10 个纳米的金粒子会吸收绿光而呈现出红色的光泽。其熔点也会迅速降低。此外,这种金粒子也不再是惰性的了。2-3 纳米大小的金粒子有极好的催化活性和相当不错的磁性。虽然这个大小的金粒子仍然是金属,但更小时就变为绝缘体了。金粒子的平衡相结构变为二O面对称的,可能时空心的或者光滑的多面体,具体与其大小有关。这篇科普性的评述旨在解释纳米材料特殊行为的起因。


    纳米粒子具有不同于体材料的主要原因是:

    (1) 表面效应: 表面上的原子与体内相比具有少的近邻原子(低的配位数). 因为表面原子的低的配位数和未饱和的键(悬挂键),使得它的稳定性比体内原子的要低.粒子越小,表面原子的份额越大,其每表面效应:个原子的平均结合能越大.比表面积(表面积与体积之比)与其粒子的大小成反比.与此有关的特性将服从这个尺度率.其中就有熔点和相变温度.粒子的边和角上的原子具有更低的配位数,这样它与外来原子和分子的结合强. 配位数在窄空隙的多孔材料中也是受到限制的.所以,盐在空隙确定的多孔材料的水中的溶解度,熔点,甚至流体的临界点都明显的减小了.因为相变是一种合作现象,所以当原子的数目较少时,相变就失去了它的物理意义,此时也就没有尖锐的相变点了.由于相和分量不能明确的区分,吉布斯相定律也就失去了它的意义.小的团簇的行为更像分子而不像体材料.所以,考虑成不同温度下的同素异形体共存比不同相的组成更有用.此时, 特别是考虑的系统由单个的数量不多的原子组成的孤立团簇时, 大量的热力学概念不再适用.

    (2) 量子大小效应: 在金属和半导体中,导带电子的波函数离域于整个纳米粒子中.所以电子可以描述位”盒中粒子”. 粒子的态密度和能量直接取决于”盒子”大小. 起初它随大小缓慢的变化. 但是当越来越多的原子加入并填充满这个壳层时,就会在高能端形成不连续的新壳层. 由于时不连续的,所以没有什么尺度.此时,团簇更像原子,填充的额外稳定的壳层.所以此时的团簇被称为准原子. 在半导体纳米粒子中形成HOMO-LUMO带隙,从而光的吸收和发射荧光的波长与其大小有关. 改变粒子的大小可以在原子和体材料之间调整其电离势,电子亲和势.与此涉及电子特性的还有成键和电子转移的氧化还原.因此,催化活性和选择性与粒子的大小有关. 由相当多的情况下,量子大小效应的不连续行为被抑制于一个缓慢的大小依赖的尺度,但仍然是量子化的系统.此时可能很难与缓慢变化的表面尺度效应相区分.


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