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第4章 形象描述——纳米态物质的特征

纳米是微小的粒子,除了知道它的个头微小外,你还知道它有哪些特征吗?关于纳米的小,还有人作了一个这样的比喻,他们说:如果你把一块正方形的橡皮糖不停地按平均来切割,它就会由1个变成2个,2个变成4个,4个变成8个……如果把它切成只有几纳米那么大,那么,它平铺开的表面积就有一个足球场那么大。随着粒子的减少,有更多的原子分布到了物体表面,据估算当物质微粒的直径为10纳米时,约有20%的原子裸露在表面。而平常我们接触到的物体表面,原子所占比例还不到万分之一。这样,纳米像一个大容器一样把大部分的原子都呈现了出来,而不是像其他物质那样,把原子都包含在自己的内部。正是由于纳米能把大部分的原子呈现出来,这样它才具有一些比较特殊的性质。那么,纳米都有哪些特征呢?

1.光学特征

由于纳米粒子的粒径(一般在10~100纳米之间)小于光波的波长,因此它常常与照射到它表面的入射光线产生复杂的交互作用。这也是纳米材料具有比较大的光吸收率的主要原因。因此,根据它的这一特殊光学特征,可把它应用于红外线感测材料。此外,当我们把一些金属分割成只有几纳米大小的粒子时,金属就将失去它原有的光泽变成黑色。这由于金属的粒子越小,它对光的吸收率就越低,所以就会变成黑色。利用这些特性,又可以将纳米粒子制成光热、光电等转换材料,从而提高太阳能转变为热能、电能的效率。此外,也可以将它应用到红外敏感元件以及红外隐身技术中。

2.热学特征

对于固态物质来说,它的体积越大熔点就越高,而体积越小熔点就越低。当一种物质的大小只有几纳米时,它的熔点显著降低。例如,一般金子熔点为1064℃,但当它的大小减小到10纳米以下时,它的熔点就会降低27℃,当它的大小只有2纳米时,它的熔点仅为327℃左右,比正常的熔点低737℃。由此说明,纳米的热学性质非常的低。正因为这样,我们可以利用它的这一特征为科学领域服务。使那些熔点高的物质微分化,这样就能把它们应用到各个领域中。

3.磁学特征

一些动物体内含有一些超微的磁性粒子,它们的存在使动物具有一定的辨别方向的能力,能认识回家的路。那么,什么是磁性超微粒呢?它实质上就是一个生物磁罗盘。例如,生活在水中的趋磁细菌能依靠它游向营养丰富的水底。磁性超微粒为什么具有辨别方向的能力呢?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纳米的磁性氧化物颗粒。这些纳米磁性颗粒虽然非常微小,但是它的磁性却要比普通的磁铁强很多。生活中,我们见到的螃蟹都是横着走,其实,在很多年以前它也可以前后运动。这是为什么呢?据说,在亿万年前螃蟹的祖先体内具有几颗磁性纳米微粒,这样促使它具有走南闯北、前进后退、行走自如的特性。但是后来地球的磁极发生了多次倒转,使螃蟹体内的小磁粒失去了正常的定向作用,因此它不能前后进退而只能横行了。纳米的磁性是决定方向的一个重要因素。

4.力学性质

陶瓷是一种比较容易破碎的物质,通常情况下它的脆性比较大。但是,如果把纳米技术加到陶瓷当中去,由纳米超微颗粒压制成纳米陶瓷材料,陶瓷将会呈现出一个崭新的面貌。不但不容易破碎,而且还具有超好的韧性。纳米粒子非常小,以致它排列的界面非常大,并且界面原子的排列是不统一的混乱状态。所以,与纳米结合的陶瓷,原子的结构性能变强,韧性也变大,使新诞生的陶瓷材料具有神奇的力学性质。这样陶瓷的使用范围得到了扩展,应用前景十分宽广。

其实,无论是关于纳米的哪一种特性都和它的应用分不开。近年来科学界一直在倡导一种叫纳米技术的新技术,运用纳米来为人类生活服务的一项新的科学产业。那么什么是纳米技术呢?它是在什么样的情况下被提倡与兴起的呢?下一章我们将会对它作全面的讲述。

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