料的量子尺寸效应。

    纳米材料表面效应  纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数

之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：

　　从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子比例。粒径在1nm

时，表面原子数占总数的比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表

面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原

子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

       纳米材料的体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质

量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，

这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例

子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把

金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假

设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直

径d的关系为：

　　其中 N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米

能级随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而

使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。

     纳米材料量子尺寸效应  当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附

近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据

的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳

米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带

来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等

。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透

深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层

附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显

著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子共振

频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一

定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。

       由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性

大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构

颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通

铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米

材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金

属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究

领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。