纳米粒子

纳米粒子又称超细微粒，是指粒度在1—100nm之间的粒子，属于胶体粒子大小的范畴。纳米粒子处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。

近十多年，越来越多的科学家致力于纳米材料的相关研究中并在制备、性质和应用方面都取得了丰硕的研究成果。

一、纳米粒子效应

纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性，我们称之为纳米效应。纳米粒子区别于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为纳米粒子表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。即使如此，由于粒径小，表面曲率大，内部产生很高的Gilibs压力，能导致内部结构的某种变形。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列几个方面的纳米效应。

1、宏观量子隧道效应

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要的意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。当电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。

2、表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。

3、小尺寸效应

当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

4、量子尺寸效应。

当粒子尺寸降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级。能级间距发生分裂，必将导致纳米粒子宏观特性有显著不同。

二、纳米粒子的应用

1、纳米陶瓷

高纯度纳米粉可作为精细陶瓷材料。它具有坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀的能力，并且有些陶瓷材料具有能量转换，信息传递功能。

可作为红外吸收材料，如Cr系合金纳米粒子对红外线有良好的吸收作用。

2、纳米催化剂

纳米粒子表面活化ZX多，这就提供了纳米粒子做催化剂的必要条件。目前，用纳米粒子进行催化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍；催化反应还表现出选择性，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5nm以下时选择性急剧变化，醛分解得到控制，生成酒精的选择性急剧上升。

3、纳米粒子磁体

在磁性材料方面有许多应用，例如：可以用纳米粒子作为磁体材料，磁记录材料和磁流体材料。

4、烧结活性剂

纳米粒子体积效应使得通常在高温烧结的材料如SiC、WC、BC等在纳米状态下在较低温度下可进行烧结，获得高密度的烧结体。另一方面，由于纳米粒子具有低温烧结、流动性大、烧结吸缩大的烧结特征，可作为烧结过程的活性剂使用，加速烧结过程降低烧结温度，缩短烧结时间。例如，普通钨丝粉须在3000℃的高温下烧结，而在掺入0.1～0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到1200至1311℃。

复相材料的烧结：复相材料由于不同的熔点及相变温度不同使得烧结较困难。纳米粒子的体积效应和表面效应，不仅使其熔点降低，相转变温度也降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能很好的复相材料。

5、纳米靶向药物

纳米材料在医学和生物工程也有许多应用。已成功开发了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物，称为“生物daodan”。即在磁性Fe3O4纳米微粒包敷的蛋白质表面携带药物，注射进入人体血管，通过磁场导航输送到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等所受由于药物产生的副作用。利用纳米传感器可获取各种生化反应的信息和电化学信息。还可以利用纳米粒子研制成纳米机器人，注入人身的血液，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还能吞噬病毒，杀死癌细胞等，可以预言，随着制备纳米材料技术的发展和功能开发，会有越来越多的新型纳米材料在众多的高科技领域中得到广泛的应用。