 原文作者 Emil Roduner
眾所周知，金是閃光和不易退色的貴金屬。它具有面心立方結構，是非磁性的。其熔點為1336K。但同樣是金，微小顆粒的金則是不同的。當它的尺度非常小時，如10 個納米的金粒子會吸收綠光而呈現(xiàn)出紅色的光澤。其熔點也會迅速降低。此外，這種金粒子也不再是惰性的了。2-3 納米大小的金粒子有極好的催化活性和相當不錯的磁性。雖然這個大小的金粒子仍然是金屬，但更小時就變?yōu)榻^緣體了。金粒子的平衡相結構變?yōu)槎﨩面對稱的，可能時空心的或者光滑的多面體，具體與其大小有關。這篇科普性的評述旨在解釋納米材料特殊行為的起因。
納米粒子具有不同于體材料的主要原因是:
(1) 表面效應: 表面上的原子與體內(nèi)相比具有少的近鄰原子(低的配位數(shù)). 因為表面原子的低的配位數(shù)和未飽和的鍵(懸掛鍵),使得它的穩(wěn)定性比體內(nèi)原子的要低.粒子越小,表面原子的份額越大,其每表面效應:個原子的平均結合能越大.比表面積(表面積與體積之比)與其粒子的大小成反比.與此有關的特性將服從這個尺度率.其中就有熔點和相變溫度.粒子的邊和角上的原子具有更低的配位數(shù),這樣它與外來原子和分子的結合強. 配位數(shù)在窄空隙的多孔材料中也是受到限制的.所以,鹽在空隙確定的多孔材料的水中的溶解度,熔點,甚至流體的臨界點都明顯的減小了.因為相變是一種合作現(xiàn)象,所以當原子的數(shù)目較少時,相變就失去了它的物理意義,此時也就沒有尖銳的相變點了.由于相和分量不能明確的區(qū)分,吉布斯相定律也就失去了它的意義.小的團簇的行為更像分子而不像體材料.所以,考慮成不同溫度下的同素異形體共存比不同相的組成更有用.此時, 特別是考慮的系統(tǒng)由單個的數(shù)量不多的原子組成的孤立團簇時, 大量的熱力學概念不再適用.
(2) 量子大小效應: 在金屬和半導體中,導帶電子的波函數(shù)離域于整個納米粒子中.所以電子可以描述位”盒中粒子”. 粒子的態(tài)密度和能量直接取決于”盒子”大小. 起初它隨大小緩慢的變化. 但是當越來越多的原子加入并填充滿這個殼層時,就會在高能端形成不連續(xù)的新殼層. 由于時不連續(xù)的,所以沒有什么尺度.此時,團簇更像原子,填充的額外穩(wěn)定的殼層.所以此時的團簇被稱為準原子. 在半導體納米粒子中形成HOMO-LUMO帶隙,從而光的吸收和發(fā)射熒光的波長與其大小有關. 改變粒子的大小可以在原子和體材料之間調(diào)整其電離勢,電子親和勢.與此涉及電子特性的還有成鍵和電子轉移的氧化還原.因此,催化活性和選擇性與粒子的大小有關. 由相當多的情況下,量子大小效應的不連續(xù)行為被抑制于一個緩慢的大小依賴的尺度,但仍然是量子化的系統(tǒng).此時可能很難與緩慢變化的表面尺度效應相區(qū)分.
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