学化学的能从专业方面科普下,为何纳米材料这么火?
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发布时间：2022-04-23 19:52
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时间：2023-10-06 04:00
这个原因比较多，但从根本上而言可以归结于纳米材料的一些基本性质使其脱颖而出
下面通俗的讲下纳米材料的四大基本效应
1.表面效应（关键词：表面能增大，表面原子配位数减少）
定义：微粒的表面积增大和所包含的表面原子数增多现象，称为表面效应。
——纳米微粒由于尺寸小,比表面积较大，位于表面的原子占相当大的比例，产生很高的表面能和原子配位不足，使这些表面原子具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。（如下图红色部分）
表面能增大：
那么为什么会表面原子数较多呢？
下图是一个实验结果图
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系
由此可以看出来从10nm减小到1nm表面原子百分数徒增
表面原子百分数多了以后会怎么样呢？
如果把一个原子或分子从内部移到表面→增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。
颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功较多，所做的功转化为表面能储存在体系中。
由此，颗粒细化时，体系的表面能增加。
表面原子配位数减少
图中每个小圆代表原子，空心小圆代表非表面原子，实心圆代表表面原子。
每个原子假设其邻近配位为其上下左右的原子的话，很明显，实心圆的表面原子近邻配位不完全， “E”原子存在缺少1个近邻， “D”原子缺少2个近邻，“A”原子缺少3个近邻配位。
而这些表面的原子一遇见其他原子（表面活化中心），由于高的表面能使其很快结合而稳定化。 例如“A”这样的表面原子是极不稳定的。
因此，随着纳米微粒比表面积的增大，表面原子百分数也迅速增加。由于表面原子所处环境与内部原子不同，它周围缺少相邻的原子，有许多悬挂键，具有不饱和性，易与其它原子相结合而稳定下来。
悬挂键——如果晶体沿某一方向理解之后，则晶体的自由表面上就存在有断裂的价键，这种价键电子既没有配对，也没有饱和，在电性能上是不饱和的，一般称为悬挂键。
表面效应对材料性能的主要影响
表面化学（https://www.applysquare.com/fos-cn/chemistry/）反应的活性提高
催化活性提高
例1：纳米Al2O3 载体
例2：纳米稀土催化剂
例3：金属发动机的燃料
例4：纳米铁粉的“自燃现象”可替代“白磷的自燃”实验,安全、无毒。
等等。
2.量子尺寸效应
定义：粒子尺度降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级之间能隙变宽现象。
——当能级间距δ大于热能kBT、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米颗粒的磁、光、声、热、电等与宏观特性有着显著的不同。
以上概念比较多，一个一个来看
1.费米能级
就一个由费米子（电子、质子、中子 ）组成的微观体系而言，每个费米子都处在各自的量子能态上。
现在假想把所有的费米子从这些量子态上移开之后再把这些费米子按照一定的规则（例如泡利原理等）填充在各个可供占据的量子能态上，并且这种填充过程中每个费米子都占据着最低的可供占据的量子态。
最后一个费米子占据着的量子态 即可粗略理解为费米能级。
Na
1s2, 2s2, 2p6, 3s1 （如Na的3s1 ）
2.固体能带理论
能带理论把晶体看成为一个大分子，这个分子由晶体中所有原子按照分子轨道理论组合而成
能带：形成晶体的各个原子，其能量相近的原子轨道组合成一系列的分子轨道，称为能带
能带可以看作是延伸到整个晶体中的分子轨道
举例说明:金属Na 3S能带形成示意图
如果两个钠原子形成Na2分子，按照分子轨道理论，若不考虑内层电子，两个3s原子轨道可组合形成两个分子轨道：一个能量较低的成键分子轨道和一个能量较高的反键分子轨道。当原子数增加到很大数目n时，由此组合的相应的分子轨道数也很大，这些分子轨道的能级之间相差极小，几乎连成一片，形成了具有一定上限和下限的能带。对于块体而言，能级总数是非常多的（但并非无限多），通常情况下，可以看作是准连续的，称为能带。
量子尺寸效应对材料性能的主要影响
导体向绝缘体转变
吸收光谱蓝移
纳米材料的磁化率改变（含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性）
纳米颗粒的发光现象
小尺寸效应
定义：随着颗粒尺寸减小到与光波波长（百nm以下）、德布罗意波长、激子玻尔半径（1-10nm）、超导相干长度（几nm以下）等物理量相当，甚至更小
1.内部晶体周期性边界条件将被破坏
2.非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小
由此——
特征光谱移动
磁有序改变
超导相破坏
结构相变(非热力学量）
…
引起宏观物理性质的变化
1.熔点显著降低
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后却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。
2.极低的反射率
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。几乎可以吸收全部的太阳光，又称为“太阳黑体”
利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术。
3.矫顽力显著变化
大块的纯铁的矫顽力约为80A/m,而粒径20nm的铁颗粒可达80000A/m以上，超出1000倍
——可用于高密度存储、磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙
粒径再减小，<6nm，矫顽力反而降低为0 A/m，出现超顺磁性
——可用于 制备磁性液体（含义见课本P38），广泛用于旋转密封、润滑等领域
宏观量子隧道效应
定义：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。
纳米颗粒具有的一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等，也具有隧穿效应。它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，形成纳米颗粒的宏观量子隧道效应
如下图，传统不可穿透的能垒，当到达纳米尺度的时候，好像有隧道一样可以直接穿过
宏观量子隧道效应限定了磁带、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。
综上，纳米因其独特的性质而产生的效用影响并即将影响着我们生活的方方面面，除了一些概念炒作，我们更期待科学上技术上的革新和突破。
ps:图片是个人搜集整理，非原创
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作者ID:党纤曦
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