随着尺寸的减小,颗粒的比表面积迅速增大,当尺寸达到纳米级时,颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例,颗粒具有非常高的表面能。人们把这种纳米材料显示的特殊效应称为表面效应。
纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。表1中列出纳米Cu微粒的粒径与比表面积,表面原子数比例,表面能和一个粒子中原子数的关系。
随着粒径减小,表面原子数迅速增加。这是由于粒径小,表面积急剧变大所致。例如,粒径为10nm时,比表面积为90m2/g,粒径为5nm时,比表面积为180m2/g,粒径下降到2nm,比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面,使处于表面的原子数越来越多,同时,表面能迅速增加,由表看出,Cu的纳米微粒粒径从100nm®10nm®1nm,Cu微粒的比表面积和表面能增加了2个数量级。
表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间关系见图1。纳米颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例,即具有非常高的比表面和表面能。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。
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