纳米固体(nanometer solids)是一种由
超微粒子聚集而成的凝聚体,这些超微粒子的大小介于原子团和通常微粉颗粒之间,线度一般在1~100纳米范围内。纳米固体可分为三维
纳米块体和二维纳米薄膜。
当微粒尺寸进入纳米量级时,其力学、热学、电学、磁学和光学性质会发生根本性变化。纳米粒子的尺寸小,表面积大,位于表面的原子占很大比例。表面的原子具有不饱和的
悬挂键,性质很不稳定,这使纳米粒子的活性大大增加。例如金属纳米粒子在空气中能燃烧,
无机化合物材料的纳米粒子能
吸附环境中的气体并与之反应。普通大块
晶体内含有大量原子(或原胞),其能带中的
能级间距很小,呈准连续结构。纳米粒子只包含有限数的原胞,这使能级间距增大,能带将分裂成离散能级。当能级间距大于通常的热、电、光的作用能量时,量子效应将显著地改变其各方面的
物理性质。
纳米粒子或纳米固体表现出一系列奇异而独特的性质,如颗粒为6纳米的铁晶体,其断裂强度比普通多晶铁提高约12倍;纳米金属的
比热容比是普通金属的2倍,热膨胀率提高1~2倍;金属是电的良导体,纳米态下可能变为
绝缘体;铁磁性物质在纳米态下矫顽力几乎增大1000倍,但当尺寸减小到5纳米时,磁有序向磁无序转变,铁磁性消失变为顺磁性;纳米固体在较宽的波长范围内显示出对光的均匀吸收,几十纳米厚的薄膜相当于几十微米厚的普通材料的吸收效果。
纳米固体因其特殊的性质,在多个领域有着广泛的应用潜力。它们可用于制备高度活性的催化剂,提高火箭
固体酒精的燃烧效率,制作磁性信用卡、磁性钥匙及高性能录像带等。此外,纳米固体还被用于制造
传感器,已开发出能够测量温度、
热辐射和检测多种特定气体的产品。在生物和医学领域,纳米固体也有着重要的应用价值。尽管纳米材料的理论和应用仍在不断探索和发展,但它已成为20世纪80年代末兴起的一个新兴科技领域,并有望成为未来的重要技术热点。