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奈米材料簡介
奈米粒子近幾年倍受重視,在許多應用方面,皆有極為優越的表現;就其基本性質而言,奈米粒子的成份和目前已使用
的化學品"幾乎"都"一樣";之所以產生特殊性能表現,基本原因是由於粒徑很小(≦20nm),導致幾項特性:
(一)比表面積很大:原本就會進行的反應,因粒徑變小,作用力增強且反應速度很快;
(二)表面分子比率急遽增加:使得反應所需的活化能下降,甚至產生新的反應途徑(如:低溫反應、熔點下降等);
(三)結晶良好:使得物性(如:光學性、電性等)表現明顯;
其詳細分別說明如後。
(一).顆粒粒徑很小:反應速度相對提高:
所有化學反應的進行,皆在粒子表面的界面上進行;同樣重量(或單位重量)的反應物,表面積(或比表面積)愈大,
    反應速度愈快且反應愈完全;而比表面積和粒徑存在"接近"反比的關係,也就是說:粒徑愈小,比表面積愈大。舉例  
說明:
若比重=1的物質呈一立方塊,其長、寬、高皆為1公分,則其重量為1克,而表面積為1(cm)×1(cm)×6(面)=6(cm2);
    此物質若等分切成長、寬、高皆為0.1公分的小立方塊則每一方向皆10等分;因此,顆粒總數為10×10×10=1,000顆,
    而每一顆粒的面積為0.1(cm)×0.1(cm)×6(面)=0.06(cm2),故總表面積=0.06×1,000=60(cm2);
    由上可知,粒徑變成原來1/10,表面積徑變成原來的10倍,而反應速度也加快為原來的10倍。其整理如下:
 
    根據上述可知,顆粒粒徑愈小,比表面積愈大,反應速度也愈快。就一般化學反應而言,反應物的粒徑約在1~30μm
    (即1,000~30,000nm);而真正的奈米材料,其粒徑多在20nm以下;故奈米粒子反應速度為一般化學反應的50倍以上。
 
(二).表面分子比率急遽增加,降低活化能(甚至改變反應途徑):
    1."內部分子"及"表面分子"的定義:
    一個結晶顆粒內的分子,可分成"內部分子"及"表面分子"兩大類;所謂"內部分子"是指該分子週遭的分子,皆是和該
    分子相同成份、結構的分子;所謂"表面分子" 是指該分子週遭的分子,至少有一~二相位的分子,其成份或結構
    (特別是成份)和該分子不同。"
    2."同類分子間作用力"與"異類分子間作用力":
    a.同類分子間作用力"指的是內部分子(同類分子)間作用力(或稱內部分子間作用力),其作用力的表現,主要是
    分子特性,包括熔點、沸點、硬度及反應活化能等。"同類分子間作用力"會隨著結晶顆粒變大而加強,最後趨於定值。
 
b."異類分子間作用力" 指的是"表面分子"和粒子所在"環境"中異類分子間的作用力,其表現,包括:溶解速度、附著力
    皆屬此類。"異類分子間作用力"隨著比表面積愈大而愈強。也就是說:"異類分子間作用力" 隨著結晶顆粒愈小而愈強。
 
3..同類分子間作用力"與"異類分子間作用力"相互作用的結果:
    a..當結晶顆粒大時(≧1μm),內部分子所佔比例遠遠超過表面分子,此時都以"分子特性"表現,如熔點高、反應活
    化能高、溶解速度低、附著力差等;
    b.當結晶顆粒奈米化時(一般(一般約為100nm左右),"表面分子"比例迅速提高;
    c.當粒徑≦20nm,"表面分子"/ "內部分子">95;此時,異類分子間作用力表現明顯,其影響較顯著的包括:熔點下
    降、附著力驟增、反應快速而完全、成膜性強等。
 
(三).結晶良好的作用:影響物性及結構性及活性:
    1.結晶缺陷的產生及影響:
    結晶在成長過程,難免會有結晶缺陷及雜晶產生;隨著結晶顆粒的粒徑增大,結晶缺陷及雜晶會不斷的累積、變大,
    形成晶格的內應力(Crystal Latent Internal Stress);晶格的內應力會導致成品的物性變差(如:耐化性不良、易
    氧化、變質、脫落、硬度下降、折射率下降、電阻值上升等。)、結構不良(如:容易龜裂、脆化、變型、硬度
 
偏低、光澤不佳等),更會使得反應性下降。一般而言,粒徑1μm的顆粒中即含百萬個至十億個結晶單元(依結晶單元
 
而變),故結晶缺陷及雜晶難免。
 
2奈米粒子結晶特性:
    奈米材料由於顆粒小,結晶成長度很低,其一顆粒子所含結晶單元往往只有數十個到上千個結晶單元而已,其結晶缺
    陷及雜晶很少,甚至完全沒有,因此無論是物性、化性、材料結構或活性,皆比相同組成的統材料或反應物強很多。
 
(四).奈米粒子的定義:
    根據前述的討論,可以清楚的得到奈米粒子的定義如下:
    1.粒徑:≦20nm; 2.完全結晶態; 3.表面分子比率≧95%。
     
   
 
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