Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 小尺寸效应
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon May 19 22:04:48 2003) , 转信

    随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所
引起的宏观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。

（1） 特殊的光学性质
    当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实
上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白
金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，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。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、红外隐身技术等。

（2） 特殊的热学性质
    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。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸
减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点
为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行
低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉
浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～1
微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质
对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微
镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成
大功率半导体管的基片。

（3） 特殊的磁学性质
    人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微
的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒
实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电
子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2′10-2微米的磁性氧化物颗
粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安／米，
而当颗粒尺寸减小到 2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸
，大约小于 6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微
颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、
磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体
。

（4）特殊的力学性质
    陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有
良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力
变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新
奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究
表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳
米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在
更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
    超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方
面。



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