As propriedades singulares de nanomateriais incluir:

①Efeito de superfície

A área de superfície de uma partícula esférica é proporcional ao quadrado do diâmetro, e seu volume é proporcional ao cubo do diâmetro, portanto sua área de superfície específica (área de superfície / volume) é inversamente proporcional ao diâmetro. À medida que o diâmetro da partícula se torna menor, a área de superfície específica aumentará significativamente, indicando que a porcentagem de átomos da superfície aumentará significativamente. Se a distância interatômica for 3'10-4 mícrons, os átomos da superfície ocuparão apenas uma camada, uma estimativa grosseira da superfície Consulte a tabela abaixo para obter a porcentagem de átomos.
A relação entre a porcentagem atômica da superfície de partículas ultrafinas e o diâmetro das partículas
Diâmetro ('10 -4 microns) 10 50 100 1000
Número total de prótons 30 4 ′ 103 3 ′ 104 3 ′ 106

Porcentagem de prótons da superfície 100 40 20 2

Pode ser visto na tabela acima que o efeito de superfície em partículas com um diâmetro maior que 0,1 mícron é desprezível. Quando o tamanho é inferior a 0,1 mícron, a porcentagem atômica da superfície aumenta drasticamente e a área total da superfície de 1 grama de partículas ultrafinas pode chegar a 100 m2. O efeito de superfície neste momento não pode ser ignorado. A superfície de partículas ultrafinas é muito diferente da superfície de objetos grandes. Se um microscópio eletrônico de alta ampliação for usado para fazer um vídeo de partículas ultrafinas de ouro (2'10-3 mícrons de diâmetro), a observação em tempo real revela que essas partículas não têm forma fixa. , Conforme o tempo muda, ele irá automaticamente formar várias formas (como octaedro cúbico, decaedro, poli Lijing icosaédrico, etc.), não é apenas diferente dos sólidos comuns, mas também diferente dos líquidos, é uma espécie de quase-sólido . Sob a irradiação do feixe de elétrons do microscópio eletrônico, os átomos da superfície parecem ter entrado em um estado de "ebulição" e a instabilidade da estrutura da partícula não pode ser vista depois que o tamanho é maior que 10 nanômetros. Neste momento, as micropartículas apresentam um estado de estrutura estável.
A superfície das partículas ultrafinas tem alta atividade e as partículas de metal no ar oxidam e queimam rapidamente. Se você quiser evitar a combustão espontânea, pode usar um revestimento de superfície ou controlar conscientemente a taxa de oxidação para oxidar lentamente e formar uma camada de óxido muito fina e densa para garantir a estabilidade da superfície. Utilizando a atividade de superfície, as partículas metálicas ultrafinas devem se tornar uma nova geração de catalisadores de alta eficiência, materiais de armazenamento de gás e materiais de baixo ponto de fusão.

② Efeito de tamanho pequeno

Conforme o tamanho das partículas muda, sob certas condições, isso causará uma mudança qualitativa na natureza das partículas. A mudança nas propriedades físicas macroscópicas causada pelo tamanho de partícula menor é chamada de efeito de tamanho pequeno. Para partículas ultrafinas, o tamanho se torna menor e a área de superfície específica também aumenta significativamente, resultando em uma série de novas propriedades como segue.
(1) Propriedades ópticas especiais
Quando o ouro é subdividido em um tamanho menor que o comprimento de onda da luz, ele perde seu rico brilho original e parece preto. Na verdade, todos os metais parecem pretos no estado de partículas ultrafinas. Quanto menor for o tamanho, mais escura será a cor, a platina branco prateada (ouro branco) torna-se preto platinado e o cromo metálico torna-se preto cromo. Pode-se ver que a refletividade de partículas ultrafinas de metal à luz é muito baixa, geralmente menos de 1%, e a espessura de cerca de alguns mícrons pode ser completamente extinta. Usando esse recurso, ele pode ser usado como um material de conversão de alta eficiência, como fototérmico e fotovoltaico, e pode converter de forma eficiente a energia solar em energia térmica e elétrica. Além disso, pode ser aplicado a componentes sensíveis ao infravermelho, tecnologia furtiva de infravermelho, etc.
(2) Propriedades térmicas especiais
O ponto de fusão da matéria sólida é fixo quando sua forma é grande, mas verifica-se que seu ponto de fusão será significativamente reduzido após a ultra-micronização, especialmente quando as partículas são menores que 10 nanômetros. Por exemplo, o ponto de fusão convencional do ouro é 1064C. Quando o tamanho da partícula é reduzido para 10 nanômetros, ele diminui em 27 ° C, e o ponto de fusão em 2 nanômetros é apenas cerca de 327 C; o ponto de fusão convencional da prata é 670 ° C, enquanto o ponto de fusão das partículas de prata ultrafinas pode ser inferior a 100 Portanto, a pasta condutora feita de pó de prata ultrafino pode ser sinterizada em baixa temperatura. Neste caso, o substrato do elemento não precisa usar materiais cerâmicos resistentes a altas temperaturas, e até mesmo plásticos podem ser usados. O uso de pasta de pó de prata ultrafina pode uniformizar a espessura do filme, cobrir uma grande área, economizar materiais e ter alta qualidade. A Kawasaki Steel Corporation do Japão usa partículas ultrafinas de cobre e níquel de 0,1 a 1 mícron para fazer pastas condutoras que podem substituir metais preciosos como paládio e prata. O ponto de fusão reduzido das partículas ultrafinas é atraente para a indústria de metalurgia do pó. Por exemplo, adicionar 0,1% a 0,5% em peso de partículas de níquel ultrafino às partículas de tungstênio pode reduzir a temperatura de sinterização de 3000 ° C para 1200 a 1300 ° C, de modo que tubos semicondutores de alta potência podem ser disparados em um temperatura mais baixa.
(3) Propriedades magnéticas especiais
As pessoas descobriram que existem partículas magnéticas ultrafinas em organismos como pombos, golfinhos, borboletas, abelhas e bactérias magnetotáticas que vivem na água, de modo que esses organismos podem distinguir as direções sob a navegação do campo geomagnético e têm a capacidade de retornar. Nanopartículas magnéticas são essencialmente uma bússola magnética biológica. Bactérias magnetotáticas que vivem na água dependem dela para nadar até o fundo rico em nutrientes. Estudos por microscopia eletrônica mostraram que as bactérias magnetotáticas geralmente contêm partículas de óxido magnético com um diâmetro de cerca de 2'10-2 mícrons. As propriedades magnéticas de partículas ultrafinas de tamanho pequeno são significativamente diferentes daquelas dos materiais a granel. A coercividade do ferro puro a granel é de cerca de 80 A / m. Quando o tamanho da partícula é reduzido para menos de 2′10-2 mícrons, sua coercividade pode ser aumentada em mil vezes. Se o tamanho for reduzido ainda mais, quando o tamanho for menor que 6'10-3 mícrons, a força coercitiva diminuirá para zero, mostrando superparamagnetismo. Utilizando as características de alta coercividade de partículas magnéticas ultrafinas, foi transformado em pó magnético de gravação magnética com alta densidade de armazenamento, que é amplamente utilizado em fitas magnéticas, discos magnéticos, cartões magnéticos e chaves magnéticas. Usando o superparamagnetismo, as pessoas transformaram as partículas magnéticas ultrafinas em líquidos magnéticos com uma ampla variedade de utilizações.
(4) Propriedades mecânicas especiais
Os materiais cerâmicos são frágeis em circunstâncias normais, mas os materiais nano-cerâmicos feitos de partículas nano-ultrafinas têm boa tenacidade. Como os nanomateriais têm uma interface grande, o arranjo atômico da interface é bastante caótico. Os átomos podem migrar facilmente sob a condição de força externa e deformação. Portanto, eles exibem uma tenacidade muito boa e um certo grau de ductilidade, fazendo com que os materiais cerâmicos tenham novas propriedades mecânicas. Estudiosos americanos relataram que os nanomateriais de fluoreto de cálcio podem ser dobrados em grande parte sem quebrar em temperatura ambiente. Estudos têm mostrado que a razão pela qual os dentes humanos têm alta resistência é porque eles são feitos de nanomateriais como o fosfato de cálcio. Os metais de granulação nano são 3 a 5 vezes mais duros do que os metais de granulação grossa tradicionais. Quanto aos nanomateriais compostos, como metal-cerâmica, as propriedades mecânicas dos materiais podem ser alteradas em uma faixa maior e suas perspectivas de aplicação são muito amplas.
O efeito de tamanho pequeno de partículas ultrafinas também se manifesta em supercondutividade, propriedades dielétricas, propriedades acústicas e propriedades químicas.

③ Efeito de tunelamento quântico macroscópico

Os átomos de vários elementos têm linhas espectrais específicas, como os átomos de sódio têm linhas espectrais amarelas. Modelos atômicos e mecânica quântica têm usado o conceito de níveis de energia para uma explicação razoável. Quando um sólido é composto de incontáveis ​​átomos, os níveis de energia dos átomos individuais são combinados em faixas de energia. Devido ao grande número de elétrons, a distância entre os níveis de energia na banda de energia é muito pequena. Portanto, pode ser considerado contínuo e explicado com sucesso a conexão e a diferença entre metais em massa, semicondutores e isoladores da teoria da banda de energia. Para partículas ultrafinas entre átomos, moléculas e sólidos a granel, as bandas de energia contínua no material a granel se dividirão em níveis de energia discretos; a distância entre os níveis de energia aumenta à medida que o tamanho das partículas diminui. Quando a energia térmica, energia do campo elétrico ou energia do campo magnético é menor do que o espaçamento médio do nível de energia, ela mostrará uma série de características anormais que são completamente diferentes dos objetos macroscópicos, o que é chamado de efeito do tamanho quântico. Por exemplo, metais condutores podem se tornar isolantes em partículas ultrafinas. A magnitude do momento magnético está relacionada ao fato de os elétrons nas partículas serem ímpares ou pares. O calor específico também mudará anormalmente e as linhas espectrais se moverão na direção do comprimento de onda curto. Este é o quantum. O desempenho macroscópico do efeito do tamanho. Portanto, os efeitos quânticos devem ser considerados para partículas ultrafinas sob condições de baixa temperatura, e as leis macroscópicas originais não são mais válidas.
Os elétrons têm partículas e volatilidade, então há um efeito de túnel. Nos últimos anos, foi descoberto que algumas grandezas físicas macroscópicas, como a magnetização de micropartículas e o fluxo magnético em dispositivos quânticos coerentes, também exibem efeitos de tunelamento, que são chamados de efeitos de tunelamento quântico macroscópico. O efeito do tamanho quântico e o efeito de tunelamento quântico macroscópico serão a base dos futuros dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos, ou estabelecerão o limite de uma maior miniaturização dos dispositivos microeletrônicos existentes. Quando dispositivos microeletrônicos são miniaturizados, os efeitos quânticos mencionados acima devem ser considerados. Por exemplo, na fabricação de circuitos integrados de semicondutores, quando o tamanho do circuito é próximo ao comprimento de onda dos elétrons, os elétrons transbordam do dispositivo através do efeito de tunelamento, tornando o dispositivo incapaz de funcionar normalmente. O tamanho limite do circuito clássico é de cerca de 0,25 mícrons. O transistor de tunelamento de ressonância quântica desenvolvido atualmente é um dispositivo de nova geração feito por efeito quântico.