纳米材料的特性

（1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

纳米材料与技术

净化空气

大气污染一直是各国政府需要解决的难题，空气中超标的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物（NOC）是影响人类健康的有害气体，纳米材料和纳米技术的应用能够最终解决产生这些气体的污染源问题。工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃烧时会产生S02气体，这是S02的最大污染源。所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。纳米钛酸钴(CoTi03)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以55-70nm的钛酸钴半径作为催化活体多孔硅胶或 A1203陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01%，达到国际标准。工业生产中使用的煤燃烧也会产生S02气体，如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂不仅可以使煤充分燃烧，不产生一氧化硫气体，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，而不产生二氧化硫气体，从而杜绝有害气体的产生。

最新研究成果表明，复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染问题。以活性碳作为载体、纳米 Zr0.5 Ce0.5 O2，粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Cr3+，电子可以在其三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性，再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强，因此它在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，使它们转化为对人体和环境无害的气体--二氧化碳和氮气。而更新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生CO和NOx，无需进行尾气净化处理。

污水处理

污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10~20倍。因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，先使水中不含悬浮物，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后，水体清澈，没有异味，口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以将水中的细菌、病毒100%去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。该技术在医学领域血透中已开始应用，有“体外肾脏”之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。

【阅读延伸】：

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