纳米固体特性及其比表面积测试方法研究

纳 米 固 体

　　nanometer，solids

　　由超微粒子聚集而成的凝聚体。包括三维纳米块体和二维纳米薄膜。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（1纳米＝10-9米），故又称纳米粒子。纳米固体是用清洁的纳米粒子经高压和烧结处理后形成的人工凝聚体。由晶态纳米微粒构成的固体称纳米晶体，非晶态纳米微粒构成的固体称纳米非晶体。构成纳米固体的纳米微粒可以是单相的，也可以是不同材料或不同相的，分别称为纳米相材料和纳米复合材料。1963年，日本名古屋大学教授田良二首先用蒸发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。1984年，由德国H.格莱特教授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美国阿贡实验室研制成TiO2纳米固体。20世纪80年代末，合金、半导体和陶瓷离子晶体等人工纳米固体相继问世。

　　纳米粒子的结构 当微粒尺寸进入纳米量级时，就从量变到质变，其力学、热学、电学、磁学和光学性质发生根本性变化。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（见能带理论）。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。

　　纳米固体的特性 由于纳米粒子特有的结构，纳米粒子或纳米固体表现出一系列奇异而独特的性质，例如：①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。普通陶瓷在常温下很脆，而纳米陶瓷不仅强度高，而且具有良好的韧性。②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。纳米晶体熔化时具有所谓准熔化相的中间相变过程。纳米铜晶体的自扩散率是普通点阵扩散的106～1019倍，这与纳米固体中存在较大空隙有关。③金属是电的良导体，纳米态下可能变为绝缘体。无极性的氮化硅是典型的共价键结构和绝缘体，在纳米态下不再是共价键结构，而且具有很强的极性，其高频交流电导急剧增大。一些典型的铁电体（见电介质物理学）在纳米态下变为顺电体。④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（见磁介质）。磁性金属的磁化率和饱和磁化强度均有很大改变。⑤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。普通金属对光的反射率很高，而纳米金属微粒的反射率显著下降，通常低于1％。因等离子共振频率随粒子尺寸而变，当粒子尺寸改变时，对微波的吸收峰将发生频移。

　　纳米材料的应用 利用纳米粒子的高度活性可制备活性极高的催化剂，在火箭固体燃料中掺入铝的纳米微粒，可提高燃烧效率若干倍。利用铁磁纳米材料具有很高矫顽力的特点，可制成磁性信用卡、磁性钥匙，以及高性能录像带等。利用纳米材料等离子共振频率的可调性可制成隐形飞机的涂料。纳米材料的表面积大，对外界环境（物理的和化学的）十分敏感，在制造传感器方面是有前途的材料，目前已开发出测量温度、热辐射和检测各种特定气体的传感器。在生物和医学中也有重要应用。纳米材料表面积研究是非常重要的，纳米材料的比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，国内有很多仪器只能做直接对比法的检测，现在国内已经被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法，国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的，请参看我国国家标准（GB/T 19587-2004）-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力的不同，有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神就会导致测试过程的失败，这会浪费测试人员很多的宝贵时间。国内几家生产比表面积测定仪厂商中，只有北京金埃谱科技有限公司的F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重要的北京金埃谱科技有限公司的F-Sorb 2400比表面积测试仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。

　　关于纳米材料的理论和应用尚待进一步研究和发掘。纳米材料科学是20世纪80年代末诞生并正在崛起的科技新领域，它将成为跨世纪的科技热点之一

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