從尺寸大小來說,通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下(注1米=100厘米,1厘米=10000微米,1微米=1000納米,1納米=10埃),即100納米以下。因此,顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱為超微粒材料,也是一種納米材料。
納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的,后來相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。
納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometer material),是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度,它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且,其尺度已接近光的波長(zhǎng),加上其具有大表面的特殊效應(yīng),因此其所表現(xiàn)的特性,例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等,往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。
納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料,由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在1~100nm間的粒子,是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域,從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看,這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng),是一種典型的介觀系統(tǒng),它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒(納米級(jí))后,它將顯示出許多奇異的特性,即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。
納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)(超微粉、鍍膜、納米改性材料等),性能檢測(cè)技術(shù)(化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能)。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)(能量束加工等)及掃描技術(shù)。
納米材料具有一定的獨(dú)特性,當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí),則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來描述它的行為,當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí),其粒徑雖改變?yōu)?000倍,但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨,所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。
納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大,也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié),同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。
就熔點(diǎn)來說,納米粉末中由于每一粒子組成原子少,表面原子處于不安定狀態(tài),使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大,所以具有較高的表面能量,造成超微粒子特有的熱性質(zhì),也就是造成熔點(diǎn)下降,同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié),而成為合格的燒結(jié)促進(jìn)材料。
一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體,當(dāng)粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí),即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí),將成為優(yōu)異的磁性材料。
納米粒子的粒徑(10納米~100納米)小于光波的長(zhǎng),因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下,可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子,稱為金屬黑,這與金屬在真空鍍膜形成高反射率面成強(qiáng)烈對(duì)比。納米材料因其光吸收率大的特色,可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。