Las propiedades singulares de nanomateriales incluir:

①Efecto de superficie

El área de superficie de una partícula esférica es proporcional al cuadrado del diámetro, y su volumen es proporcional al cubo del diámetro, por lo que su área de superficie específica (área de superficie / volumen) es inversamente proporcional al diámetro. A medida que el diámetro de las partículas se vuelve más pequeño, el área de la superficie específica aumentará significativamente, lo que indica que el porcentaje de átomos de la superficie aumentará significativamente. Si la distancia interatómica es de 3'10-4 micrones, los átomos de la superficie solo ocuparán una capa, una estimación aproximada de la superficie. Consulte la tabla siguiente para conocer el porcentaje de átomos.
La relación entre el porcentaje atómico de superficie de partículas ultrafinas y el diámetro de partícula.
Diámetro ('10 -4 micrones) 10 50100 1000
Número total de protones 30 4 ′ 103 3 ′ 104 3 ′ 106

Porcentaje de protones de superficie 100 40 20 2

Puede verse en la tabla anterior que el efecto de superficie sobre las partículas con un diámetro superior a 0,1 micrones es insignificante. Cuando el tamaño es inferior a 0,1 micrones, el porcentaje atómico de la superficie aumenta drásticamente y la superficie total de 1 gramo de partículas ultrafinas puede llegar incluso a 100 m2. El efecto de superficie en este momento no se puede ignorar. La superficie de las partículas ultrafinas es muy diferente de la superficie de los objetos grandes. Si se usa un microscopio electrónico de gran aumento para tomar un video de partículas ultrafinas de oro (2'10-3 micrones de diámetro), la observación en tiempo real revela que estas partículas no tienen una forma fija. , A medida que cambia el tiempo, formará automáticamente varias formas (como octaedro cúbico, decaedro, poli Lijing icosaédrico, etc.), no solo es diferente de los sólidos ordinarios, sino también de los líquidos, es una especie de cuasi-sólido . Bajo la irradiación con haz de electrones del microscopio electrónico, los átomos de la superficie parecen haber entrado en un estado de "ebullición" y la inestabilidad de la estructura de las partículas no se puede ver después de que el tamaño es superior a 10 nanómetros. En este momento, las micropartículas tienen un estado de estructura estable.
La superficie de las partículas ultrafinas tiene una alta actividad y las partículas de metal en el aire se oxidan y se queman rápidamente. Si desea evitar la combustión espontánea, puede usar un recubrimiento de superficie o controlar conscientemente la tasa de oxidación para oxidar lentamente y formar una capa de óxido muy delgada y densa para garantizar la estabilidad de la superficie. Utilizando la actividad superficial, se espera que las partículas ultrafinas de metal se conviertan en una nueva generación de catalizadores de alta eficiencia, materiales de almacenamiento de gas y materiales de bajo punto de fusión.

②Efecto de tamaño pequeño

A medida que cambia el tamaño de las partículas, bajo ciertas condiciones, provocará un cambio cualitativo en la naturaleza de las partículas. El cambio en las propiedades físicas macroscópicas causado por el tamaño de partícula más pequeño se llama efecto de tamaño pequeño. Para las partículas ultrafinas, el tamaño se vuelve más pequeño y el área de la superficie específica también aumenta significativamente, dando como resultado una serie de propiedades novedosas como sigue.
(1) Propiedades ópticas especiales
Cuando el oro se subdivide en un tamaño más pequeño que la longitud de onda de la luz, pierde su rico brillo original y aparece negro. De hecho, todos los metales aparecen negros en estado de partículas ultrafinas. Cuanto más pequeño es el tamaño, más oscuro es el color, el platino blanco plateado (oro blanco) se vuelve negro platino y el cromo metálico se vuelve negro cromo. Puede verse que la reflectividad de partículas ultrafinas de metal a la luz es muy baja, generalmente menos del 1%, y el grosor de unas pocas micras puede extinguirse por completo. Con esta función, se puede utilizar como un material de conversión de alta eficiencia, como fototermia y fotovoltaica, y puede convertir de manera eficiente la energía solar en energía térmica y energía eléctrica. Además, se puede aplicar a componentes sensibles a infrarrojos, tecnología invisible de infrarrojos, etc.
(2) Propiedades térmicas especiales
El punto de fusión de la materia sólida se fija cuando su forma es grande, pero se encuentra que su punto de fusión se reducirá significativamente después de la ultramicronización, especialmente cuando las partículas son menores de 10 nanómetros. Por ejemplo, el punto de fusión convencional del oro es 1064C. Cuando el tamaño de partícula se reduce a 10 nanómetros, disminuye en 27 ° C, y el punto de fusión a 2 nanómetros es de solo 327C; el punto de fusión convencional de la plata es 670 ° C, mientras que el punto de fusión de las partículas de plata ultrafinas puede ser inferior a 100 Por lo tanto, la pasta conductora hecha de polvo de plata ultrafino se puede sinterizar a baja temperatura. En este caso, el sustrato del elemento no necesita utilizar materiales cerámicos resistentes a altas temperaturas, e incluso se pueden utilizar plásticos. El uso de pasta de polvo de plata ultrafina puede hacer que el espesor de la película sea uniforme, cubra un área grande, ahorre materiales y tenga una alta calidad. Kawasaki Steel Corporation de Japón utiliza partículas ultrafinas de cobre y níquel de 0,1 a 1 micra para fabricar pastas conductoras que pueden reemplazar metales preciosos como el paladio y la plata. El punto de fusión reducido de las partículas ultrafinas es atractivo para la industria de la pulvimetalurgia. Por ejemplo, la adición de 0,1% a 0,5% en peso de partículas de níquel ultrafinas a las partículas de tungsteno puede reducir la temperatura de sinterización de 3000 ° C a 1200 a 1300 ° C, de modo que los tubos semiconductores de alta potencia se puedan disparar a una temperatura más baja.
(3) Propiedades magnéticas especiales
Las personas han descubierto que hay partículas magnéticas ultrafinas en organismos como palomas, delfines, mariposas, abejas y bacterias magnetotácticas que viven en el agua, de modo que estos organismos pueden distinguir direcciones bajo la navegación del campo geomagnético y tienen la capacidad de regresar. Las nanopartículas magnéticas son esencialmente una brújula magnética biológica. Las bacterias magnetotácticas que viven en el agua dependen de ella para nadar hacia el fondo rico en nutrientes. Los estudios por microscopía electrónica han demostrado que las bacterias magnetotácticas generalmente contienen partículas de óxido magnético con un diámetro de aproximadamente 2'10-2 micrones. Las propiedades magnéticas de las partículas ultrafinas de tamaño pequeño son significativamente diferentes de las de los materiales a granel. La coercitividad del hierro puro a granel es de aproximadamente 80 A / m. Cuando el tamaño de partícula se reduce por debajo de 2′10-2 micrones, su coercitividad se puede incrementar mil veces. Si el tamaño se reduce aún más, cuando el tamaño es inferior a 6'10-3 micrones, la fuerza coercitiva disminuirá a cero en su lugar, mostrando superparamagnetismo. Utilizando las características de alta coercitividad de las partículas magnéticas ultrafinas, se ha convertido en polvo magnético de grabación magnética con alta densidad de almacenamiento, que se utiliza ampliamente en cintas magnéticas, discos magnéticos, tarjetas magnéticas y llaves magnéticas. Utilizando el superparamagnetismo, las personas han convertido partículas magnéticas ultrafinas en líquidos magnéticos con una amplia gama de usos.
(4) Propiedades mecánicas especiales
Los materiales cerámicos son frágiles en circunstancias normales, pero los materiales nanocerámicos hechos de partículas nano ultrafinas tienen buena tenacidad. Debido a que los nanomateriales tienen una gran interfaz, la disposición atómica de la interfaz es bastante caótica. Los átomos pueden migrar fácilmente bajo la condición de fuerza externa y deformación. Por tanto, presentan muy buena tenacidad y cierto grado de ductilidad, lo que hace que los materiales cerámicos tengan propiedades mecánicas novedosas. Los estudiosos estadounidenses informaron que los nanomateriales de fluoruro de calcio se pueden doblar en gran medida sin romperse a temperatura ambiente. Los estudios han demostrado que la razón por la que los dientes humanos tienen alta resistencia es porque están hechos de nanomateriales como el fosfato de calcio. Los metales nanogranados son de 3 a 5 veces más duros que los metales tradicionales de grano grueso. En cuanto a los nanomateriales compuestos, como las metalcerámicas, las propiedades mecánicas de los materiales pueden modificarse en un rango más amplio y sus posibilidades de aplicación son muy amplias.
El efecto de tamaño pequeño de las partículas ultrafinas también se manifiesta en superconductividad, propiedades dieléctricas, propiedades acústicas y propiedades químicas.

③ Efecto de túnel cuántico macroscópico

Los átomos de varios elementos tienen líneas espectrales específicas, como los átomos de sodio tienen líneas espectrales amarillas. Los modelos atómicos y la mecánica cuántica han utilizado el concepto de niveles de energía para una explicación razonable. Cuando un sólido está compuesto por innumerables átomos, los niveles de energía de los átomos individuales se combinan en bandas de energía. Debido a la gran cantidad de electrones, la distancia entre los niveles de energía en la banda de energía es muy pequeña. Por lo tanto, se puede considerar como continuo y se explica con éxito la conexión y la diferencia entre metales a granel, semiconductores y aislantes de la teoría de la banda de energía. Para partículas ultrafinas entre átomos, moléculas y sólidos a granel, las bandas de energía continua en el material a granel se dividirán en niveles de energía discretos; la distancia entre los niveles de energía aumenta a medida que disminuye el tamaño de las partículas. Cuando la energía térmica, la energía del campo eléctrico o la energía del campo magnético es menor que el espaciado del nivel de energía promedio, mostrará una serie de características anormales que son completamente diferentes de los objetos macroscópicos, lo que se denomina efecto de tamaño cuántico. Por ejemplo, los metales conductores pueden convertirse en aislantes en partículas ultrafinas. La magnitud del momento magnético está relacionada con si los electrones de las partículas son pares o impares. El calor específico también cambiará de forma anormal y las líneas espectrales se moverán hacia la dirección de la longitud de onda corta. Esto es cuántico El rendimiento macroscópico del efecto de tamaño. Por lo tanto, los efectos cuánticos deben considerarse para partículas ultrafinas en condiciones de baja temperatura, y las leyes macroscópicas originales ya no son válidas.
Los electrones tienen partículas y volatilidad, por lo que hay un efecto de túnel. En los últimos años, se ha descubierto que algunas cantidades físicas macroscópicas, como la magnetización de micropartículas y el flujo magnético en dispositivos coherentes cuánticos, también exhiben efectos de efecto túnel, que se denominan efectos de efecto túnel cuántico macroscópicos. El efecto de tamaño cuántico y el efecto de túnel cuántico macroscópico serán la base de los futuros dispositivos microelectrónicos y optoelectrónicos, o establecerán el límite de una mayor miniaturización de los dispositivos microelectrónicos existentes. Cuando los dispositivos microelectrónicos se miniaturizan aún más, se deben considerar los efectos cuánticos antes mencionados. Por ejemplo, en la fabricación de circuitos integrados de semiconductores, cuando el tamaño del circuito está cerca de la longitud de onda de los electrones, los electrones desbordan el dispositivo a través del efecto de túnel, lo que hace que el dispositivo no funcione normalmente. El tamaño límite del circuito clásico es de aproximadamente 0,25 micrones. El transistor de efecto túnel de resonancia cuántica desarrollado en la actualidad es un dispositivo de nueva generación fabricado por efecto cuántico.