[科普中国]-纳米金属材料

纳米金属材料是形成纳米晶粒的金属与合金。具有晶界比例，比表面能，表面原子比例大等特点。粒径由100nm降至5nm，颗粒表面能与总能量之比由0.8%增至14%，晶界比例由3%增至50%，表面原子的比例增至40%，2nm时增至80%。具有特异性能:纳米铝粉可提高燃烧效率；含1.8%C的钢，纳米晶断裂强度可达4800MPa。

概述纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的“气体状”固体结构，是一种介于固体与分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态晶体材料”。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使纳米材料科学与技术之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光学、电学、磁学、催化、化学特性和超导性能等特性，使纳米材料在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值。1

纳米金属的小尺寸效应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。对纳米颗粒而言，尺寸变小同时其比表面积显著增加，从而产生一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显著增加，与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降，例如，2nm的金属颗粒熔点为600K，随着粒径增加，熔点迅速上升，块状金属为1337K。还有，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别。一般固体的热运动仅限于晶格振动，固体本身并不运动。而对于纳米金属粒子，除了晶格振动以外，颗粒整体也振动，结果使纳米金属粒子比导体中的电子自由程小，其磁畴比强磁性物质的磁畴小，有时甚至小于磁畴，从而呈单磁畴结构。1

纳米金属的量子效应量子效应包括量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

(1)量子尺寸效应。大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子与大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸的减小而变大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。如导电的金属在纳米颗粒状态时变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会发生反常变化等。

(2)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米金属粒子也具有这种效应，故称为宏观量子隧道效应。1

纳米金属材料的制备方法通过传统金属材料的制备方法：冶炼、铸造轧制、锻压热处理等很难得到纳米金属材料。目前比较成熟的纳米金属材料的制备方法主要有：惰性气体蒸发、原位加压法、高能球磨法和非晶晶化法等。2

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学