现在普遍认为直径在1~100 nm尺寸的颗粒属于纳米粒子的范畴。这段尺寸的粒子的物理化学性质与大于100 nm以上的粒子有着明显的区别,但对其性质远没有深入研究。迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10 nm,而光刻的最小尺寸也只能接近100 nm (Intel公司Pentium III微处理器使用的光刻技术达到180 nm),胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。因此纳米团簇的发现正为填补这段间隙的研究架起了桥梁[1]。纳米粒子的几个主要的特性表现为:

(A)表面效应。当固体粒子直径小于100 nm时,固体表面的特殊性质开始表现出来,这主要是由于表面原子数目占主体原子数目的比例开始明显升高,粒子越小,表面原子数占主体原子数的比例就越高。纳米粒子表面的许多原子处于多个方位无原子接近的状态,所以活性很高,易发生位置的移动或与周围的其他物质发生作用。纳米粒子的这一性质已被广泛用于催化反应和表面修饰的研究中。

(B)久保(Kubo)效应。Kubo效应是指当粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。Kubo最早提出了著名的公式:

δ = (4/3) EF/N

式中δ为能级间距,EF为费米能级,N为总电子数。对宏观物体而言,N趋向于无限大,由上式可得δ趋于0,即对宏观物体能级间距趋向于零;而对纳米粒子,所包含的原子数有限,N值很小,这就导致δ有一定的值,即能级间距发生分裂而呈现出Kubo效应。在金属中,费米能级附近的电子能级是连续的,随着颗粒尺寸的减小,能级发生分裂,金属纳米粒子的性质趋向于半导体。对能量的吸收和辐射表现出量子效应。如对光的吸收,随着粒子尺寸的减小,能级差增大,吸收光的波长向短波方向移动即所谓的蓝移。

(C)稳定性与幻数。许多原子团簇中原子的个数不是任意的。对某一特定原子团簇而言,只有原子数为某些固定值时,团簇才有最高的稳定性,原子团簇以这些数目出现的概率最高。人们把相对稳定的团簇中所包括的原子个数(n)称为幻数。不同元素的团簇其幻数是不同的,即使同一元素,若制备方法不同其幻数也可能不一样[2]。

纳米材料性能与对应的宏观材料相比,其基本物理性能(如电、磁、热、密度、熔点等)和力学性能有着奇特的变化,例如纳米材料的熔点显著降低。一般来讲,纳米结构材料与其对应的正常态材料相比,密度降低、强度和硬度提高、塑韧性改善、扩散能力提高、热膨胀系数增加、导热性减小、弹性模量降低。此外还具有一些独特的物理性能,如超弹性模量现象、磁致热效应等。

对纳米粒子的研究大体分为个体研究和群体研究两类。对纳米材料的个体研究需要精确的设备及微操纵系统,它是纳米材料学研究的基础。而对纳米粒子群体的研究则以组装纳米材料及其器件的研究最具理论和应用价值。对具有特异性的单个分子团簇、原子簇进行有序的组装或制备特定的器件,可以使分子团簇、原子簇的特异性、微观性在宏观上得以表达,使无序的状态变成有序状态,使简单的组装研究向自组装方向发展。纳米团簇可以组装成超晶格,在新层次上获得新功能和新特性。纳米材料的界面结构和表面结构能够影响材料的性质,由于纳米粒子的直径比较接近电子的平均自由程,所以许多宏观的物理和化学理论已不再适用于纳米粒子,现在一些新的理论已应运而生[3]。

金属纳米颗粒在生物传感、催化、传导等领域都有广泛的应用。银纳米团簇有七大优点:广谱抗菌、强效杀菌、渗透性强、修复再生、抗菌持久、安全无毒和无耐药性。

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