神通广大的纳米材料_趣味物理-查字典物理网

·脾气暴躁、易燃易爆的纳米金属颗粒

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的“颗粒”。这些“颗粒”的尺寸只有几个纳米。如果按照一般的经验，原子与原子之间的距离为0．2纳米左右。可以估计出在尺寸为1纳米的立方体“颗粒”中，“立方颗粒”的每一边上只能排列5个原子，总体可容纳125个原子，但是其中98个原子在表面上。众所周知，表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用。因此，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。另外，用纳米金属颗粒粉体作催化剂，可加快化学反应过程，大大地提高化工合成的产率。

具有晶体管开关作用的芯片工作原理：当栅极上加以适当电压时，关闭芯片电流中断（见详图左）：当栅极开通时，电流流过中间的沟道（见详图右）。沟道越短开关时闰越短运行速度越快。

·材料世界中的大力士──纳米金属块体

如果把金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。人们幻想在下一个世纪，总有一大会制造出具有如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船，会使它们的重量减少到1／10。可以想像，一辆摩托车的重量会变成只有20－30公斤，一个女中学生会轻易地将它扛上楼去。

·刚柔并济的纳米陶瓷

人们日常生活中最常用的陶瓮材料具有硬而脆的特点。硬是说它可以做刀具切削金属，脆是说它耐不住冲击，甚至一摔就碎。陶瓷的另一长处是耐高温，在1000℃的高温下也不变形。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性，这个问题一巳被彻底解决，会在汽车发动机上大显身手，彻底甩掉发动机的冷却水套，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂已得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。

·善变颜色的纳米氧化物材料

氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色眼镜含有一种光敏卤化物材料，但是变色的速度慢。用纳米氧化物材料做成的变色镜就不一样了。用它做成士兵防护激光枪的眼镜是再好不过了。还有将纳米氧化物材料作成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。

·法力无边的半导体纳米材料

半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。这种技术一旦实现，太阳能汽车、太阳能住宅就会使人们居住的环境更加美丽，空气更加清新。利用特种半导体纳米材料使海水淡化在中东已得到应用；半导体纳米材料作成的各种传感器，可灵敏的检测出温度、湿度和大气成分的变化，在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。

·纳米药物和纳米保健食品

把不容易被人体吸收的药物或食品，如维生素等作成纳米粉或纳米粉的悬浮液极易被吸收。如果把纳米药物做成膏药贴在患处，药物可以通过皮肤直接被吸收，而无须注射，省去了注射的感染。

目前，纳米材料在食品、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、通讯、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用。

被囚禁的电子和未来的电子学器件

把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，原来可以在费米动量以下连续地具有任意动量的电子状态，变成只能具有某些动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接的结果表现在，当在金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时，金属颗粒不导电。这样一来，原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内就不再成立了。还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力，足以排斥下一个电于从外电路进人金属颗粒内，切断了电流的连续性，这使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，所谓单电子器件。单电于器件的尺寸很小，一旦实现，把它们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是像人们所设想的那么简单。起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上，被囚禁的电子可不是那么“老实”，按照量子力学的规律，有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来，一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相关联在一起，当然，需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路。另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底，在这一世界中电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管单电子器件已经在实验室用得以实现，但是真是要用在工业上，还需要假以时日。

1、大块固体材料中的电子可以自由地在固体内运动电子之间相互碰撞使它们的运动速度达到热平衡。2、在纳米颗粒内的电子数目大大地减少，所有的电子被囚禁在一个深势阱内，只能占据不同的能量状态。3、库仑阻塞现象：纳米颗粒上有了一个电子后电子的库仑力阻挡下一个电子。只有这一电子逃逸后下一个电子才能到纳米颗粒上。

电子云的波