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納米材料的特性

（1）表面與界面效應(yīng)

這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時(shí)，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機(jī)納米粒子會吸附氣體等等。

（2）小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能，此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。

（3）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

納米材料與技術(shù)

凈化空氣

大氣污染一直是各國政府需要解決的難題，空氣中超標(biāo)的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物（NOC）是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用能夠最終解決產(chǎn)生這些氣體的污染源問題。工業(yè)生產(chǎn)中使用的汽油、柴油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃燒時(shí)會產(chǎn)生S02氣體，這是S02的最大污染源。所以石油提煉工業(yè)中有一道脫硫工藝以降低其硫的含量。納米鈦酸鈷(CoTi03)是一種非常好的石油脫硫催化劑。以55-70nm的鈦酸鈷半徑作為催化活體多孔硅膠或 A1203陶瓷作為載體的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01%，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)生產(chǎn)中使用的煤燃燒也會產(chǎn)生S02氣體，如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級助燒催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生一氧化硫氣體，提高能源利用率，而且會使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物，而不產(chǎn)生二氧化硫氣體，從而杜絕有害氣體的產(chǎn)生。

最新研究成果表明，復(fù)合稀土化物的納米級粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能，這是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染問題。以活性碳作為載體、納米 Zr0.5 Ce0.5 O2，粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Cr3+，電子可以在其三價(jià)和四價(jià)離子之間傳遞，因此具有極強(qiáng)的電子得失能力和氧化還原性，再加上納米材料比表面大、空間懸鍵多、吸附能力強(qiáng)，因此它在氧化一氧化碳的同時(shí)還原氮氧化物，使它們轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害的氣體--二氧化碳和氮?dú)?。而更新一代的納米催化劑，將在汽車發(fā)動機(jī)汽缸里發(fā)揮催化作用，使汽油在燃燒時(shí)就不產(chǎn)生CO和NOx，無需進(jìn)行尾氣凈化處理。

污水處理

污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10~20倍。因此它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭的凈化裝置，能有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等污染物。經(jīng)前二道凈化工序后，水體清澈，沒有異味，口感也較好。再經(jīng)過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以將水中的細(xì)菌、病毒100%去除，得到高質(zhì)量的純凈水，完全可以飲用。這是因?yàn)榧?xì)菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時(shí)，就會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域血透中已開始應(yīng)用，有“體外腎臟”之稱。肝、腎功能衰竭者飲用這種水后，會大大減輕肝、腎臟的負(fù)擔(dān)。

【閱讀延伸】：

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