표면 양성자 퍼센트 100 40 20 2

위의 표에서 직경이 0.1 마이크론보다 큰 입자에 대한 표면 효과는 무시할 수 있음을 알 수 있습니다. 크기가 0.1 미크론 미만이면 표면 원자 백분율이 급격히 증가하고 초미세 입자 1g의 총 표면적은 100m2까지 높을 수 있습니다. 이때 표면 효과를 무시할 수 없습니다. 초미세 입자의 표면은 큰 물체의 표면과 매우 다릅니다. 고배율 전자현미경으로 금의 초미세 입자(직경 2'10~3마이크론)를 영상으로 촬영하면 실시간 관찰을 통해 이들 입자가 일정한 모양을 갖고 있지 않다는 것을 알 수 있다. , 시간이 지남에 따라 자동으로 다양한 모양(입방 팔면체, 십이면체, 20면체 폴리 리징 등)을 형성하며 일반 고체와 다를 뿐만 아니라 액체와도 다르며 일종의 준고체입니다. . 전자현미경의 전자빔 조사에서는 표면 원자가 '비등' 상태에 들어간 것으로 보이며, 10나노미터 이상 크기가 되면 입자 구조의 불안정성을 확인할 수 없다. 이때, 미립자는 안정된 구조 상태를 갖는다.
초미세 입자의 표면은 활성이 높으며 공기 중의 금속 입자는 빠르게 산화되어 연소됩니다. 자연 발화를 방지하려면 표면 코팅을 사용하거나 의식적으로 산화 속도를 조절하여 천천히 산화하여 매우 얇고 조밀한 산화물 층을 형성하여 표면 안정성을 보장할 수 있습니다. 금속초미세입자는 표면활성을 이용하여 차세대 고효율 촉매, 기체저장물질, 저융점 물질로 발전할 것으로 기대된다.

②소형 효과

입자 크기가 변경됨에 따라 특정 조건에서 입자의 성질에 질적 변화가 발생합니다. 더 작은 입자 크기로 인한 거시적 물리적 특성의 변화를 작은 크기 효과라고 합니다. 초미세 입자의 경우 크기가 작아지고 비표면적도 크게 증가하여 다음과 같은 일련의 새로운 특성이 나타납니다.
(1) 특수 광학 특성
금은 빛의 파장보다 작은 크기로 세분되면 본래의 풍부한 광택을 잃고 검게 보입니다. 사실 모든 금속은 초미립자 상태에서 검게 보입니다. 크기가 작을수록 색상이 어두워지며 은백색(백금)은 백금 검정색이 되고 금속성 크롬은 크롬 검정색이 됩니다. 의 반사율을 알 수 있다. 금속 초미립자 빛에 대한 빛은 일반적으로 1% 미만으로 매우 낮고 약 몇 ​​마이크론의 두께는 완전히 소멸될 수 있습니다. 이 특성을 이용하면 광열, 태양광 등의 고효율 변환 소재로 활용될 수 있으며, 태양 에너지를 열에너지와 전기 에너지로 효율적으로 변환할 수 있다. 또한 적외선에 민감한 부품, 적외선 스텔스 기술 ​​등에 적용될 수 있습니다.
(2) 특수 열 특성
고형물의 융점은 모양이 크면 고정되어 있지만 초미세화 후에는 특히 입자가 10나노미터보다 작을 때 융점이 현저히 떨어지는 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, 금의 일반적인 녹는점은 1064C입니다. 입자 크기가 10나노미터로 감소하면 27°C 감소하고 2나노미터에서의 융점은 약 327C에 불과합니다. 기존의 은 융점은 670℃인 반면, 은 초미립자의 융점은 100°C보다 낮을 수 있다. 따라서 초미세 은분말로 이루어진 전도성 페이스트는 저온에서 소결될 수 있다. 이 경우 소자의 기판은 고온 내성 세라믹 재료를 사용할 필요가 없으며 플라스틱도 사용할 수 있습니다. 초미세 은 분말 페이스트를 사용하면 막 두께를 균일하게 하고 넓은 면적을 덮을 수 있으며 재료를 절약하고 고품질을 가질 수 있습니다. 일본의 Kawasaki Steel Corporation은 0.1~1미크론의 구리와 니켈 초미립자를 사용하여 팔라듐 및 은과 같은 귀금속을 대체할 수 있는 전도성 페이스트를 만듭니다. 초미세 입자의 낮은 융점은 분말 야금 산업에 매력적입니다. 예를 들어, 텅스텐 입자에 0.1~0.5중량%의 초미세 니켈 입자를 첨가하면 소결 온도를 3000°C에서 1200~1300°C로 낮출 수 있으므로 고전력 반도체 튜브를 100℃에서 소성할 수 있습니다. 낮은 온도.
(3) 특수 자기 특성
물속에 사는 비둘기, 돌고래, 나비, 벌, 자기주성세균 등의 생물체에는 초미세 자성입자가 있어 지자기장 항법하에서 방향을 구별하고 되돌아오는 능력이 있다는 것을 사람들이 발견했다. 자성 나노 입자는 본질적으로 생물학적 자기 나침반입니다. 물에 사는 자기주성 박테리아는 영양이 풍부한 바닥으로 헤엄치기 위해 물에 의존합니다. 전자현미경에 의한 연구에 따르면 자기주성 박테리아는 일반적으로 직경이 약 2'10-2 미크론인 자성 산화물 입자를 포함하고 있습니다. 작은 크기의 초미세 입자의 자기 특성은 벌크 재료의 자기 특성과 크게 다릅니다. 벌크 순철의 보자력은 약 80A/m입니다. 입자 크기가 2'10-2 미크론 미만으로 감소하면 보자력이 천 배 증가할 수 있습니다. 크기가 더 줄어들면 크기가 6'10-3 마이크론 미만일 때 보자력이 대신 0으로 감소하여 초상자성을 나타냅니다. 자성 초미립자의 높은 보자력 특성을 이용하여 저장 밀도가 높은 자기 기록 자성 분말로 만들어졌으며 자기 테이프, 자기 디스크, 자기 카드 및 자기 키에 널리 사용됩니다. 사람들은 초상자성을 이용하여 자성 초미세 입자를 자성 액체로 만들어 다양한 용도로 사용하고 있습니다.
(4) 특별한 기계적 성질
세라믹 재료는 일반적인 환경에서 잘 부서지지만 나노 초미세 입자로 만들어진 나노 세라믹 재료는 인성이 좋습니다. 나노 물질은 큰 계면을 가지고 있기 때문에 계면의 원자 배열은 매우 혼란스럽습니다. 원자는 외력과 변형의 조건 하에서 쉽게 이동할 수 있습니다. 따라서 매우 우수한 인성과 어느 정도의 연성을 나타내어 세라믹 재료가 새로운 기계적 특성을 갖도록 합니다. 미국 학자들은 불화칼슘 나노물질이 실온에서 깨지지 않고 크게 구부러질 수 있다고 보고했다. 연구에 따르면 사람의 치아가 고강도인 이유는 인산칼슘과 같은 나노 물질로 이루어져 있기 때문입니다. 나노 입자의 금속은 기존의 거친 입자보다 3~5배 더 단단합니다. 금속-세라믹과 같은 복합 나노 재료의 경우 재료의 기계적 특성이 더 넓은 범위에서 변경될 수 있으며 응용 가능성이 매우 넓습니다.
초미세 입자의 작은 크기 효과는 초전도성, 유전 특성, 음향 특성 및 화학적 특성에서도 나타납니다.

③ 거시적 양자 터널링 효과

다양한 원소의 원자에는 특정 스펙트럼선이 있습니다. 예를 들어 나트륨 원자에는 노란색 스펙트럼선이 있습니다. 원자 모델과 양자 역학은 합리적인 설명을 위해 에너지 준위의 개념을 사용했습니다. 고체가 무수한 원자로 구성되어 있을 때, 개별 원자의 에너지 준위는 에너지 밴드로 결합됩니다. 많은 수의 전자로 인해 에너지 밴드의 에너지 준위 사이의 거리는 매우 작습니다. 따라서 연속적이라고 볼 수 있으며 에너지 밴드 이론에서 벌크 금속, 반도체 및 절연체 간의 연결과 차이점을 성공적으로 설명했습니다. 원자, 분자 및 벌크 고체 사이의 초미세 입자의 경우 벌크 물질의 연속 에너지 밴드는 개별 에너지 준위로 분할됩니다. 에너지 준위 사이의 거리는 입자 크기가 감소함에 따라 증가합니다. 열 에너지, 전기장 에너지 또는 자기장 에너지가 평균 에너지 준위 간격보다 작을 때 거시적인 물체와 완전히 다른 일련의 비정상적인 특성을 나타내게 되는데 이를 양자 크기 효과라고 합니다. 예를 들어, 전도성 금속은 초미세 입자에서 절연체가 될 수 있습니다. 자기 모멘트의 크기는 입자의 전자가 홀수인지 짝수인지와 관련이 있습니다. 비열도 비정상적으로 변해 분광선이 단파장 방향으로 이동합니다. 이것은 양자 크기 효과의 거시적 성능입니다. 따라서 저온 조건에서 초미세 입자에 대한 양자 효과를 고려해야하며 원래의 거시 법칙은 더 이상 유효하지 않습니다.
전자는 입자와 휘발성을 모두 가지고 있으므로 터널링 효과가 있습니다. 최근에는 마이크로 입자의 자화 및 양자 결맞음 장치의 자속과 같은 일부 거시적 물리량도 터널링 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌으며 이를 거시적 양자 터널링 효과라고 합니다. 양자 크기 효과와 거시적 양자 터널링 효과는 미래의 초소형 전자 및 광전자 소자의 기초가 되거나 기존 초소형 전자 소자의 추가 소형화의 한계를 설정하게 될 것입니다. 마이크로 전자 장치가 더욱 소형화되면 앞서 언급한 양자 효과를 고려해야 합니다. 예를 들어, 반도체 집적회로를 제조할 때 회로의 크기가 전자의 파장에 가까울 때 터널링 효과를 통해 전자가 장치에 넘쳐 장치가 정상적으로 작동하지 못하게 됩니다. 기존 회로의 한계 크기는 약 0.25미크론입니다. 현재 개발된 양자 공명 터널링 트랜지스터는 양자 효과로 만든 차세대 소자이다.