納米物理與化學(納米材料的物理化學特性)
1.納米材料的物理化學特性
納米是英文namometer的譯音，是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當于45個原子排列起來的長度。
通俗一點說，相當于萬分之一頭發(fā)絲粗細。就象毫米、微米一樣，納米材料是指由尺寸小于100nm(0.1-100nm)的超精細顆粒構(gòu)成的材料的總稱。
由于納米尺寸的物質(zhì)具有突出的表面效應、小尺寸效應和量子限域效應，納米是一個尺度概念，并沒有物理內(nèi)涵。當物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能，因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學、機械等性能。
這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。
過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。
磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。
2.納米技術(shù)屬于物理化學知識嗎
要注意的是技術(shù)和知識是不同領(lǐng)域的概念，所謂納米技術(shù)，是通過一系列的工藝，生產(chǎn)出構(gòu)成粒子直徑在1--100nm范圍的物質(zhì)的手段或方法等，這種生產(chǎn)納米物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)，而納米物質(zhì)由于它體現(xiàn)出的一些性質(zhì)，使人們大開眼界，使人們認識到，物質(zhì)世界竟如此奧妙，物質(zhì)的不連續(xù)性，物質(zhì)由粒子構(gòu)成等觀念有了長足的發(fā)展，構(gòu)成物質(zhì)的粒子的幾何指標，既它們的尺寸大小，竟然還如此左右著物質(zhì)的性質(zhì)，使人們對微觀世界的認識又大大前進了，在原有的原子、分子、離子等的認識上又前進了一大步，所以，納米物質(zhì)的出現(xiàn)，使人們在物理、化學、生物等知識領(lǐng)域開辟了更廣闊的性天地，如人們發(fā)現(xiàn)納米銅的性質(zhì)和通常的銅的性質(zhì)是大不相同的。
而這一切是原有的知識是難以解釋的。
3.納米技術(shù)屬于物理化學知識嗎
要注意的是技術(shù)和知識是不同領(lǐng)域的概念，所謂納米技術(shù)，是通過一系列的工藝，生產(chǎn)出構(gòu)成粒子直徑在1--100nm范圍的物質(zhì)的手段或方法等，這種生產(chǎn)納米物質(zhì)的技術(shù)就是納米技術(shù)，而納米物質(zhì)由于它體現(xiàn)出的一些性質(zhì)，使人們大開眼界，使人們認識到，物質(zhì)世界竟如此奧妙，物質(zhì)的不連續(xù)性，物質(zhì)由粒子構(gòu)成等觀念有了長足的發(fā)展，構(gòu)成物質(zhì)的粒子的幾何指標，既它們的尺寸大小，竟然還如此左右著物質(zhì)的性質(zhì)，使人們對微觀世界的認識又大大前進了，在原有的原子、分子、離子等的認識上又前進了一大步，所以，納米物質(zhì)的出現(xiàn)，使人們在物理、化學、生物等知識領(lǐng)域開辟了更廣闊的性天地，如人們發(fā)現(xiàn)納米銅的性質(zhì)和通常的銅的性質(zhì)是大不相同的。
而這一切是原有的知識是難以解釋的。
4.納米的知識
納米（nm），又稱毫微米，是長度的度量單位，1納米=10^-9米。
納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導委員會將納米技術(shù)劃分為納米電子學、納米物理學、納米化學、納米生物學、納米加工學和納米計量學等6個分支學科。其中，納米物理學和納米化學是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。
納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新興科技，其最終目標是人類按照自己的意識直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個可見的原子、分子世界。這表明，人類正越來越向微觀世界深入，人們認識、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。
5.物理方法和化學方法制備出的納米材料在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別
壓根是兩類概念。
納米材料是從大小尺寸出發(fā)的，可以是無機的，也可以是有機的；而高分子材料是從化學結(jié)構(gòu)出發(fā)的，分子量高，聚合度高。大多都是有機的，單體具有可以反應的官能團或不飽和度才能合成。
回到問題：
1.從制備方法來說，納米材料可以是物理方法也可以是化學方法；但高分子材料一定是化學方法。
2.從組成來說，納米材料可以是無機金屬、無機非金屬、有機都可以；但高分子一定是有機或無機非金屬材料。
3.從形態(tài)而言，納米材料大多有固定形態(tài)，而高分子既有固定形態(tài)的，又有無定形的。
4.從性能而言，納米材料具有量子隧道效應（共四個，自己查量子效應），普通高分子沒有。高分子的粘彈性和玻璃化轉(zhuǎn)變是普通納米材料不具有的。
6.納米材料的基本知識
從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學性質(zhì)顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。 納米金屬材料是20世紀80年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學材料等。 納米級結(jié)構(gòu)材料簡稱為納米材料（nanometer material），是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。 納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（nano particle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的稀土納米材料
光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。 納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術(shù)（化學組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。 納米材料具有一定的獨特性，當物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統(tǒng)力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。 納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。 就熔點來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進材料。 一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。 納米粒子的粒徑（10納米~100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復雜的交互作用。金屬在適當?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應用于紅外線感測器材料。 納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。
