纳米粒子的表面效应与性能变化析要点

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：如图1-8所示，纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的减小而显著增大，表面键合能也随之增大，从而引起纳米粒子特性的变化称为表面效应。例如粒子半径从7 nm减小到1.2 nm，其表面原子占比从35%迅速增加到76%。此时，因为表面原子所占的比例相当高，必然会对其性能产生巨大影响。上述的小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应都是纳米颗粒和纳米固体的基本特性。

如图1-8所示，纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的减小而显著增大，表面键合能也随之增大，从而引起纳米粒子特性的变化称为表面效应。

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图1-8　表面原子比例与粒子直径的关系［29］

考虑具有宏观尺寸（以球形为例）紧密堆积的均质固体材料时，常认为其性能只与其化学组成和晶体结构相关，通常不考虑表面原子。这是因为对于这类材料，表面原子与总原子数相比，表面原子的比例极低，可以忽略不计，所以对性能的影响微乎其微。然而，随着粒径的减小，表面原子的数量呈几何级数增加，占比迅速增大。例如粒子半径从7 nm减小到1.2 nm，其表面原子占比从35%迅速增加到76%（见图1-8）。此时，因为表面原子所占的比例相当高，必然会对其性能产生巨大影响。

粒子表面的原子数越多，则表面能越大，由于表面原子缺少配位数，导致表面原子具有很高的化学活性。由于表面原子与相邻的原子结合的化学键不太牢固，从而造成这些原子很不稳定，容易与其他原子结合，这就是金属钠米粒子暴露在空气中能够自发燃烧的原因。

上述的小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应和表面效应都是纳米颗粒和纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质，并出现一些反常现象。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；一般PbTiO3、BaTiO3和Sr TiO3等材料是典型的铁电体，但当其尺寸进入纳米级时就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米级（约5 nm），会由多畴变成单畴显示出极强的顺磁效应；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极化，在交流电下电阻很小；化学惰性的金属铂制成纳米微粒后成为活性很好的催化剂；金属由于光反射显现出各种美丽的特征颜色，但超微粒子的光反射能力显著下降；由纳米微粒组成的纳米固体在较宽谱线范围里显示出对光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在7～17 GHz频率时的吸收峰高达14 dB，在10 dB水平的吸收频宽为2 GHz；粒径为6 nm的纳米Fe晶体的断裂强度比多晶Fe提高12倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的1016～1019倍，晶界扩散是传统晶体的103倍；纳米Ag晶体作为稀释制冷机的热交换器效率比传统材料高30%；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，饱和磁矩是普通金属的1／2……

纳米粒子的表面效应与性能变化析要点

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