纳米材料的分类及其物理特性

2020-12-12覃子权

缔客世界 2020年1期

关键词：纳米材料微粒原子

覃子权

(贵州大学贵州贵阳 550025)

引言

纳米材料主要是由原子尺寸的微小单元和分子尺寸所构成，所以这种材料具有其他化学元素所形成的化学特征或是物理特征材料所具有的特征，比如，热学特性、磁学特性、力学特性等，现阶段纳米材料被有效地应用到各个科技领域中，并取得良好的成效。

1 纳米材料的分析

1980年，首次出现“纳米”一词，在早期纳米材料的发展过程中，主要是颗粒构成的固体存在的，这种材料是符合纳米尺度范围的，一般来说我们将纳米材料维度分为三类，即0维、1维、2维，立足于空间三维尺度来分析，0维纳米材料是完成符合纳米尺度的，1维纳米材料是满足二维纳米尺度特征的，最后一类纳米材料有着1维纳米尺度特点，并且有着超薄膜。基于此，有科学家发明了 0.35nm 超级薄膜。这种材料的薄膜厚度小，我们需要将这种材料重叠20万次还达到一根头发的厚度。由于这种材料的特殊性因此其物理特性是具有差异的，通常情况下我们将其分为两类，即纳米铁电体、纳米半导体[1]。纵观当前绝大多数纳米财力，都是采用人工制备的方式生产的，因此我们可以将其称为人工材料。事实上在大自然中一直都存在纳米固体，但是在这方面人类的研究不够深入，比如，我们所熟知的陨石就是这种材料。另外动物牙齿也是由纳米微粒所构成的。倘若从化学分成分来分类，我们可以将其分为纳米复合材料、纳米金属、纳米陶瓷等。

2 分析纳米粒子的物理特性

2.1 界面与表面效应

这种物理特征主要指纳米晶体粒表面的总原子数量与原子数，伴随着纳米晶体粒径变小，所出现性质变化。我们假设晶体粒直径为10纳米时，这个时候，表面原子占40%，微粒大约有4000个原子左右，如果晶体粒直径为1纳米，表面原子占99%左右，此时微粒大概有30个原子。探究其原因是因为纳米晶体粒直径减少，相应地，表面原子数量在不断增加。

2.2 小尺寸效应

这种物理特性具体就是指纳米微粒尺寸等于或是小于超导态的相干长度、超导态投射深度，光波波长时，纳米微粒尺寸的周期性边界被损坏，如此一来，导致纳米微粒热力学、磁学、声学、光学、电学等出现一些比较奇特的现象，比如，纳米材料与高分子材料的混合所制作而成的刀具，是非常坚硬的，其程度可以与金刚石制品相比较，对此，我们在研究中，可以充分利用纳米材料的这些物理特性，将其转变成电能，另外，还可以将纳米材料有效地运用到红外隐身技术或是红外敏感元件中，发挥应有的功效。

2.3 宏观量子隧道效应

由于具备贯穿势垒的能力我们又将微观粒子称之为隧道效应。最近几年，科学家发现了一些宏观量。比如，量子相干器件当中所具有磁通量、微颗粒磁化强度等。我们将其中所发现的隧道效应，称之为宏观量子隧道效应，科研人员对这种物理特征的研究具有至关重要的作用，这主要是因为宏观量子隧道效应限定了磁盘和彩带存储信息的极限。随着科学技术的不断发展，未来微电子器件基础一定会是隧道效应和量子尺寸效应，同时其还进一步微化微电子器件的极限。在具体的细微化过程中，一定离不开对量子效应的思考[2]。

2.4 热学性质

一般来说，纳米材料的热膨胀和比热系统就大于非晶体材料或是同类晶材料的值，探究其元原因，是因为原子密度较低、界面原子排列不整齐以及界面原子耦合作用变弱所造成的。这种物理特征在纳米复合材料和储存材料方面具有较为良好的应用前景。

2.5 电学性质

这种物理特征具体就是指晶界面原子体积分数变化，这样一来，就让纳米材料就会因为体积分数的变化，导致其电阻高于同类粗晶材料，变化显著的时候，还会出现绝缘体转变（SIMIT），如果我们充分利用这种物理特性的库仑堵塞效应和隧道量子效应，有效将纳米材料制作成带电子器件，能最大化地发挥超微型低能耗、超容量、超高速的特点，随着技术的不断发展相信在今后纳米材料一定会取代常规半导体器件[3]。

2.6 磁学性质

这种物质特性，较大块材料而言，小尺寸的超微颗粒磁性具有显著的优势，这种材料呈现出超顺磁性，相关技术人员充分利用磁性超微颗粒自身所具有的高矫顽力的特性，当前已经制作成磁记录磁粉，这种磁粉具有高贮存密度，当前已经广泛的运用到磁卡、磁带等方面，人们利用超顺磁性超微颗粒已经制作成了磁性液体[4]。

2.7 奇特的物理性能

这种性能主要分为两个方面，即奇特的光学特性和扩散及烧结性能，光学特性具有三个特性，第一，蓝移现象，也就是说纳米微粒吸收带可移动到短波方向。第二，宽频带强吸收，众所周知纳米粒子在光的吸收能力较强，在强光作用下粒子就会变黑。第三，由于这种材料的特殊性，材料具有一些常规材料不曾有的发光现象。扩散及烧结性能物理特性方面，较大界面是纳米结构材料最显著的特征，复杂的界面材料有效地为原子提供的短程扩散途径，纳米机构与单晶材料进行对比，有着非常高的扩散率[5]。