纳米活性炭的制备和应用-纳米技术及纳米材料的特征

纳米技术及纳米材料的特征

 纳米技术是20世纪末期诞生并正在迅速发展的用原子和分子创制新物质的技术，是一种对尺寸范围在0.1～100分子的尺寸范的组成进行研究的技术。这个极其微小的空间，不仅是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间。物质中电子的波性以及原子之间的相互作用都会受到纳米尺度大小的影响。在这个尺度时，物质会出现完全不同的性质，就好像生物进化一样，产生无穷的变化。

纳米材料是指尺度为1～100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。与传统材料不同，由纳米颗粒组成的纳米材料具有许多特殊性能。

1．表面效应

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，所

以，球形颗粒的比表面积（表面积／体积）与直径成反比。表面积和比表面积会

随着颗粒直径的减小而显著地增大，同时表面原子数也将迅速增加。球形颗粒

的比表面积和表面原子数随颗粒直径变化的对照如表1-1所示。

表1-1 球形颗粒的比表面积和表面原子数随颗粒直径变化的对照

由表1-1中的数据可见，当颗粒的直径减小到纳米尺度时，它的表面积、表面原子数和表面能都会大幅度增加。由于表面原子的周围缺少相邻的原子，使得颗粒出现大量剩余的悬键而具有不饱和的性质。同时，表面原子具有高的活性，极不稳定。因此，表面原子很容易与外来的原子相结合，以形成稳定的结构。所以，与内部原子相比，表面原子具有更大的化学活性和表面能。金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并反应都是因为这些纳米颗粒具有较高的表面活性高。

2 小尺寸效应

颗粒尺寸的量变，在一定的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。与大尺度颗粒不同，纳米颗粒尺寸小，比表面积大，因而在熔点、磁性、热阻、电学性能、光学性能、化学活性和催化性等方面都发生了变化，产生一些奇特的性质。例如，与金属大块材料相比，金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加，并产生吸收峰的等商子共振频率偏移；金属纳米颗粒中出现磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变的现象。纳米颗粒的熔点也较大块金属材料有大幅度下降，例如，金和根大块材料的熔点分别为1063℃和960℃，但是直径为2nm的金和银的纳米颗粒的熔点则分别降为330℃和100℃。因此会出现开水就可以将银融化的奇特现象。

3．量子尺寸效应

金属大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级，即能级的量子化。随着颗粒尺寸的减小。这种能级间的间距逐渐增大。当能级间距大于热能、光子能量、静电能、磁能、静磁能或超导态的凝聚能等的平均能级间距时，就会出现一系列与大块材料截然不同的反常特性，这就是量子尺寸效应。这种量子尺寸效应是导致纳米颗粒的磁、光、电、声、热以及超导电性等特性与大块材料显著不同的原因。例如，纳米颗粒具有高的光学非线性和特异的催化性能，还具有类似于绝缘体的很高的电阻。

研究表明，半导体的能带结构与颗粒的尺寸也有密切的关系。随着颗粒的减小，半导体材料会出现蓝移（blue shift）现象（半导体的发光带或者吸光带可由长波长移向短波长，发光的颜色从红光移向蓝光）。蓝移的现象也是由量子尺寸效应引起的，由于颗粒尺寸减小，能隙变宽，进而发生蓝移现象。

4．宏观量子隧道效应

隧道效应是指微观粒子具有穿越势垒的能力。近年来，人们发现一些宏观的物理量也具有隧道效应，如微小颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量以及电荷等，它们可以穿越宏观系统的势垒并产生变化。无论对基础研究还是产业应用领域，宏观量子隧道效应的研究都具有重要的意义，例如，它限定了采用磁带、磁盘进行信息存储的zui短时间。隧道效应和量子尺寸效应一起成为未来微电子器件的基础，并确定了微电子器件进一步微型化的极限。