當納米微粒的尺寸與光的波長、電子德布羅意波長、超導相干波長和透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時,其周期性邊界條件將被破壞,它本身和由它構成的納米固體的聲、光、熱、電、磁和熱力學等物理性質,體現出傳統固體所不具備的許多特殊性質.其中造成這一現象的一個重要因素是其表面和界面效應。
納米微粒的表面效應,納米固體的界面效應,
納米微粒的表面效應
隨著微粒粒徑的減小,其比表面積大大增加,位於表面的原子數目將占相當大的比例.例如粒徑為10nm時,表面原子的比例達到50%;粒徑為5 nm時,表面原子的比例數猛增到8 0%;粒徑為1nm時,表面原子比例數達到99%,幾乎所有原子都處於表面狀態l.龐大的表面使納米微粒的表面自由能,剩餘價和剩餘鍵力大大增加.鍵態嚴重失配、出現了許多活性中心,表面台階和粗糙度增加,表面出現非化學平衡、非整數配位的化學價,導致了納米微粒的化學性質與化學平衡體系有很大差別.我們把這些差別及其作用叫做納米微粒的表面效應。
電鏡研究中也可以看出,由於強烈的表面效應使得納米微粒的微觀結構處於不斷的變化之中.例如在1.5~5 nm或20~30 nm的微粒中存在著多重雙晶、層狀雙晶、多粒子(類似塊材中的多晶體)以及立方八面體、十二面體和二十面體等多種結構.同時表面電子的自旋構象和電子能譜也不停地變化。
納米固體的界面效應
由納米微粒製成的納米固體,它不同於長程有序的晶態固體,也不同於長程無序短程有序的非晶態固體,而是處於一種無序狀態更高的狀態.格萊特認為,這類固體的晶界有“類氣體”的結構,具有很高的活性和可移動性.從結構組成上看它是由兩種組元構成,一是具有不同取向的晶粒構成的顆粒組元,二是完全無序結構各不相同的晶界構成的界面組元.由於顆粒尺寸小、界面組元占據了可以與顆粒組元相比擬的體積百分數,例如當顆粒粒徑為5一50 nm時構成的納米固體.界面所占體積百分數約為5 0%一3 0%.晶體界面對晶體材料的許多性能有重大的影響,例如熱學、電學、力學和磁學等很大程度上取決於原子間的相鄰狀態.由於納米固體的界面與通常晶粒材料有很大的不同,界面組元的增加使納米固體中的界面自由能大大增加,界面的離子價態,電子運動傳遞等與結構有關的性能發生了相當大的變化,這種變化我們稱為納米固體的界面效應.
