納米固體

納米固體是用清潔的納米粒子經高壓和燒結處理後形成的人工凝聚體。由晶態納米微粒構成的固體稱納米晶體，非晶態納米微粒構成的固體稱納米非晶體。構成納米固體的納米微粒可以是單相的，也可以是不同材料或不同相的，分別稱為納米相材料和納米複合材料。

1963年，日本名古屋大學教授田良二首先用蒸發冷凝法獲得了表面清潔的納米粒子。1984年，由德國H.格萊特教授領導的小組首先研製成第一批人工金屬固體（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美國阿貢實驗室研製成TiO2納米固體。20世紀80年代末，合金、半導體和陶瓷離子晶體等人工納米固體相繼問世。

當微粒尺寸進入納米量級時，就從量變到質變，其力學、熱學、電學、磁學和光學性質發生根本性變化。納米粒子的尺寸小，表面積大，位於表面的原子佔很大比例。

表面的原子具有不飽和的懸掛鍵，性質很不穩定，這使納米粒子的活性大大增加。例如金屬納米粒子在空氣中能燃燒，無機材料的納米粒子能吸附環境中的氣體並與之反應。

普通大塊晶體內含有大量原子（或原胞），其能帶中的能級間距很小，呈准連續結構（見能帶理論）。納米粒子只包含有限數的原胞，這使能級間距增大，能帶將分裂成離散能級。當能級間距大於通常的熱、電、光的作用能量時，量子效應將顯著地改變其各方面的物理性質。

由於納米粒子特有的結構，納米粒子或納米固體表現出一系列奇異而獨特的性質，例如：

①顆粒為6納米的鐵晶體，其斷裂強度比普通多晶鐵提高約12倍。普通陶瓷在常温下很脆，而納米陶瓷不僅強度高，而且具有良好的韌性。

②納米金屬的比熱容比是普通金屬的2倍，熱膨脹率提高1～2倍。納米晶體熔化時具有所謂準熔化相的中間相變過程。納米銅晶體的自擴散率是普通點陣擴散的106～1019倍，這與納米固體中存在較大空隙有關。

③金屬是電的良導體，納米態下可能變為絕緣體。無極性的氮化硅是典型的共價鍵結構和絕緣體，在納米態下不再是共價鍵結構，而且具有很強的極性，其高頻交流電導急劇增大。一些典型的鐵電體（見電介質物理學）在納米態下變為順電體。

④鐵磁性物質在納米態下矯頑力幾乎增大1000倍，但當尺寸減小到5納米時，磁有序向磁無序轉變，鐵磁性消失變為順磁性（見磁介質）。磁性金屬的磁化率和飽和磁化強度均有很大改變。

⑤納米固體在較寬的波長範圍內顯示出對光的均勻吸收，幾十納米厚的薄膜相當於幾十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金屬對光的反射率很高，而納米金屬微粒的反射率顯著下降，通常低於1%。因等離子共振頻率隨粒子尺寸而變，當粒子尺寸改變時，對微波的吸收峯將發生頻移。

利用納米粒子的高度活性可製備活性極高的催化劑，在火箭固體燃料中摻入鋁的納米微粒，可提高燃燒效率若干倍。利用鐵磁納米材料具有很高矯頑力的特點，可製成磁性信用卡、磁性鑰匙，以及高性能錄像帶等。利用納米材料等離子共振頻率的可調性可製成隱形飛機的塗料。納米材料的表面積大，對外界環境（物理的和化學的）十分敏感，在製造傳感器方面是有前途的材料，目前已開發出測量温度、熱輻射和檢測各種特定氣體的傳感器。在生物和醫學中也有重要應用。

關於納米材料的理論和應用尚待進一步研究和發掘。納米材料科學是20世紀80年代末誕生並正在崛起的科技新領域，它將成為跨世紀的科技熱點之一