納米材料特性形成機理的微觀探析

林左鳴

納米材料及其制備、應用技術，是當前世界高科技領域中最重要的前沿領域之一。實際上，中國是世界上最早應用納米材料及其技術的國家，科學家研究發(fā)現(xiàn)：早在1000年前，中國古人利用燃燒的蠟燭形成煙霧制作炭黑，這種炭黑就是一種納米材料，并以它作為墨的原料[1]。中國有紙壽千年的說法，一些以紙質(zhì)形式保留下來的古代文獻，恐怕有一半的功勞應歸功于由納米材料做成的墨，因為它有著附著力強、不易褪色的特殊性能，使文獻逾千年之后仍清晰可辨。今天，人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的特質(zhì)材料，當其基本微粒的尺寸為10-9m至10-7m之間，也就是物質(zhì)材料尺寸達到1nm至100nm之間時，往往會使材料的性能發(fā)生突變，表現(xiàn)出過去不曾為人們所理解的特殊性能。這些特殊性能，既不同于組成物質(zhì)的原子、分子原來所具有的微觀性質(zhì)，又不同于物質(zhì)材料的宏觀物理性質(zhì)。有文獻指出納米材料所處的領域是“介觀領域”或“中尺度領域”[2]，材料處于介觀領域會出現(xiàn)很多奇異和嶄新的物理或化學特性。那么納米材料特性之所以產(chǎn)生的機理是什么？本文將在已有的研究基礎上做進一步的探索并試圖提出一些假說。

一、已知的納米材料基本效應的表現(xiàn)

對納米材料的研究表明，目前人們對納米材料產(chǎn)生的特性及所形成機理的認識，主要集中在尺寸效應、表面與界面效應和量子隧道效應等幾個方面[1]。而實際上無論是尺寸效應、表面與界面效應，還是量子隧道效應，最終都必定涉及到基本粒子的活動機理。已有的研究表明，人們在分析尺寸效應時，不得不討論到小尺寸（nm級）系統(tǒng)的量子效應，認為“所謂量子尺寸效應，是指當粒子尺寸下降到最低值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)態(tài)變?yōu)殡x散態(tài)的現(xiàn)象?！盵2]而這種情況的出現(xiàn)，是導致納米材料諸多特性產(chǎn)生的原因之一。同樣，人們在分析納米材料的表面與界面效應時指出，“納米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相當大的比例，納米粒子粒徑的減小，最終會引起其表面原子活性增大，從而不但引起納米粒子表面原子輸送和構型的變化，同時也引起表面電子自旋構象和電子能譜的變化?！盵1]而所謂的隧道效應就是微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。毫無疑問，這類效應的機理分析進一步表明了我們必須從微觀粒子的層面去探究問題的必要性。

實際上，物質(zhì)材料的尺寸單位達到1nm至100nm之間時性質(zhì)發(fā)生了改變，是由于納米材料的尺寸變小后，影響了材料費米能級（EF）的正常作用，材料粒子內(nèi)部力的狀態(tài)受到影響而發(fā)生重要變化；同時由于納米材料粒子表面積大幅增加，也導致了粒子團之間交合作用的面積增大。這些因素都會使物質(zhì)材料中電子的自由度和原子自由度增大，形成了寬自由度運動，這種運動狀態(tài)的變化正是納米材料出現(xiàn)一些特殊性質(zhì)的重要直接原因。然而其背后，則涉及到基本粒子的結構、運動、能量變化等深層次的問題。因此，我們有必要對相應的基本粒子在納米材料中運動的問題進行深入探析，并進行必要的猜想和提出必要的假說。

二、基本粒子的維度結構及結合力（能量結構）與納米材料特性的關系

迄今為止，人們知道基本粒子中原子是由電子和原子核所構成，原子核則由中子和質(zhì)子所構成，它們之間具有極強的結合力。核能量就是釋放這種結合力的利用。人們還知道，中子和質(zhì)子之中又有不同特性的上、下夸克，這些基本粒子之間的結構和運動是形成強大核力的原因。那么究竟是哪些基本粒子，以什么方式進行運動，并在運動中形成了物質(zhì)的基本結合力呢？了解這些情況，或許會幫助我們弄清納米材料的特性。

我們認為，在原子活動中容易發(fā)生變化的電子應該是一個處于非平衡狀況下的特殊結構。假定電子是由兩個磁粒子所組成，其中一個是完整的磁粒子，而另一個是缺失一個迷粒子[3]的磁粒子，則這個時候電子實際上是一個不對稱結構的粒子。電子正因為處于不對稱結構，所以它容易分解也容易結合。接著我們再來分析原子核的結構，我們知道原子核是由中子和質(zhì)子在基本核力作用下所構成，無論是中子或者質(zhì)子，都存在著夸克。假定夸克外圍存在的粒子是膠子，那么膠子就是傳導夸克間能量的粒子。也就是說如果我們從基本核力的角度來考慮，基本粒子的維度結構狀態(tài)應該是以膠子——夸克粒子作為基本單元的合成維度結構。當夸克之間通過膠子來進行能量連續(xù)傳導交換的運動，從而形成了其所構成的能量連續(xù)傳導和交換時，就發(fā)生了光色隨向性運動[4]，從而使粒子間發(fā)生交合，并合成為由粒子所構成的團態(tài)物質(zhì)，而這正是起關鍵作用的基本核力。

設想粒子通過核力結合在一起時，是以核力的強弱點進行有選擇性的結合，我們把這種情況稱之為：強弱預選性。也就是說，由于原子量的不同，造成預選的結合位置點數(shù)可以是一個，也可以是多個；就是說這是由原子間強、弱核力點多少來決定的，當然也與原子量的多少有關，原子量多時，預選的位置數(shù)就多，反之則少。如前所述納米材料的原子的寬自由度運動和交合的形態(tài)，正是因為粒子間的核力結合預選位置數(shù)多于常態(tài)的物質(zhì)材料，從而形成了具有自由態(tài)的變性形態(tài)，所以使納米材料表現(xiàn)出特殊性能。

通常我們把基本粒子的夸克分為上夸克和下夸克。如設定上夸克是能量夸克，下夸克則是虛量夸克。上下夸克間的能量傳導交換通過具有最小智慧形態(tài)的粒子（膠子）[3]，經(jīng)過光色排序后，把上夸克（能量夸克）的能量向下夸克（虛量夸克）傳導。虛量夸克（下夸克）在能量輸入過程中，成為了能量夸克（上夸克），而能量夸克（上夸克）輸出能量后，則變成為了虛量夸克（下夸克）。我們假定夸克都是由x103個迷粒子構成的，而膠子則是傳導夸克間能量的粒子。在夸克粒子之間，通過膠子為“橋梁”，使得能量連續(xù)進行交換的運動，可以稱之為：動態(tài)核力。也就是說，核力只有動態(tài)的，沒有靜態(tài)的。物質(zhì)是在運動中結合，運動中分解。所以，物質(zhì)的基本核力始終處于動態(tài)的形態(tài)。在這樣的動態(tài)核力作用下，上下夸克都是以能量不斷交換的形態(tài)存在著的。即上夸克釋放能量后成為下夸克，而下夸克接收能量后成為上夸克。所以，就從能量交換的意義上來說，夸克實際上沒有嚴格的上、下之分，有能量就是上夸克，沒有能量就是下夸克。

原子中的膠子在連續(xù)傳導、交換夸克能量的過程中，會把能量中的部分余量光色，合成為核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵。一般膠子只是處于上夸克與下夸克之間，承擔著進行能量傳導、交換的任務。而原子核之間的能量交換（即核約束力）是通過貝粒子流來完成的，也就是我們通常所說的粒子間的結合鍵，實際上就是貝粒子流。貝粒子是由兩個單奇子所構成[3]，貝粒子是單奇子之上的粒子，貝粒子到迷粒子之間應該還存在著無數(shù)的粒子。

可以認為，在所有粒子能量傳導中，貝粒子流是主導著能量傳導的傳導體，迷粒子是在貝粒子流通過粒子時，形成了迷粒子之間的連接方式。從宏觀上來看，我們稱之為是以鍵的形態(tài)存在，而實際上鍵是以貝粒子流的作用而形成的。所以，形成余量光色的原因，就是貝粒子流沒有傳導完的那一部分能量。而正是這一部分未傳導完的能量構成了鍵的結合力。

所謂“核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵”上的迷粒子與其他迷粒子是一樣的，只不過成為鍵態(tài)的迷粒子，是在貝粒子流作用下串聯(lián)為鍵態(tài)的。這種核質(zhì)態(tài)迷粒子鍵，與夸克的性質(zhì)相同，也分為能量鍵、虛量鍵。我們可以把能量鍵定義為“可返回鍵”，稱之為“雙鍵”；而虛量鍵則定義為“輸入鍵”，稱之為“單鍵”。迷粒子鍵在原子團中是起著“橋”作用的鍵，也就是合成為分子的主要合成形態(tài)。帶有迷粒子鍵的原子之間的合成，是以能量鍵——虛量夸克，虛量鍵——能量夸克的形態(tài)，進行相互傳導交換能量，從而形成原子核內(nèi)膠子傳導交換能量，再由原子核間迷粒子鍵傳導交換能量。正是由這樣一個總的傳導交換能量形態(tài)，導致合成為原子團、分子和物質(zhì)體。以上能量與基本粒子核間信息態(tài)能量異光色斥力，產(chǎn)生了相反的效應性作用，從而使原子核力形成平衡態(tài)。我們把這種形態(tài)的平衡，稱為“鍵力平衡”。

通常膠子在合成迷粒子鍵時，按光色排序，把信息態(tài)能量轉(zhuǎn)換為迷粒子的同時，對不能按光色排序的最小單元光色進行互變，使這種最小單元的信息態(tài)能量光色互變轉(zhuǎn)換為可連續(xù)互變的貝粒子，把多個貝粒子交合成貝粒子流，從而使原子本體帶有核磁能量，核電能量和核引力鏈，所以我們可以這樣認為，核力就是貝粒子流力。

由上探析可以認為，核磁、核電、核引力鏈都是由貝粒子流運動而產(chǎn)生的鏈態(tài)能量。只不過貝粒子流是一種變化性態(tài)的粒子流，影響其屬性不同的原因應該是鏈距的大小，也就是說不同貝粒子流屬性隨往返鏈距的大小變化而變化。假定往返鏈距為a×10pm時，這時鏈的屬性就是引力鏈；當往返鏈距為b×102pm時，鏈的屬性為核力；而往返鏈距為c×103nm～d×103nm時，鏈性為磁力線屬性；則往返鏈距為e×10nm～1.9e×10nm時，鏈性為電力線屬性。貝粒子流的這種變化特性，是因往返鏈距之間單奇子互變時的信息態(tài)能量光色隨向性的相互影響，使得貝粒子流產(chǎn)生隨往返鏈距的變化，而屬性發(fā)生變化的現(xiàn)象。甚至可以在兩種屬性的貝粒子流鏈距相互交合時，產(chǎn)生一種新的鏈性波，比如電磁波。此外，也會由于相同的原因產(chǎn)生不同屬性的作用力，比如磁引力（磁-鐵引力能）。

綜上所述，我們可以判斷，基本粒子的維度結構及結合力（能量結構），在正常情況下，決定了常態(tài)物質(zhì)材料的宏觀性能，然而一旦這樣的維度結構及相應的結合力出現(xiàn)背離常態(tài)的變化后，就會使材料宏觀特性發(fā)生明顯變化。納米材料正是基于這樣的原因而發(fā)生變性。

三、能量結構變化后的小分子特性的形成機理

由上，如果從物質(zhì)材料粒子的維度和能量狀況背離常態(tài)后，產(chǎn)生了奇異特性的角度出發(fā)，可對納米材料作出以下定義：納米材料是以能量結構變化后的小分子為基礎，重新合成的新效應特性材料。

常態(tài)物質(zhì)中的原子晶粒，因晶粒體積的原因，使得晶粒界面的面積小于總體積內(nèi)結晶陣列的面積，這時原子鍵對晶粒界面原子的移活性控制力強、晶粒間的結合力小于晶粒內(nèi)的結合力，我們可以把這種情況稱之為：晶粒臨界結合力效應。在這里所謂的“移活性控制力”，是指納米小分子表面積與正常分子的表面積相比相對增大了，這時納米小分子之間結合力就增強了，相對結合點也增多了，所表現(xiàn)出來的是其活性態(tài)，也就是說容易與其他分子、原子進行活性結合的狀態(tài)，從而產(chǎn)生能量對稱或不對稱的表面核力控制。

我們假定，在晶粒臨界結合力效應之下，粒子不能形成自由態(tài)的聚集，而是通過原子鍵形成了外延夸克力達到一定幅度的結合力，這時晶粒間的對稱結合力強度低。而所謂的外延夸克力是指：在核力控制范圍，因核力減弱而減小時，由夸克能量進行增補的現(xiàn)象。

當核外電子的排序?qū)哟?，由于晶粒?nèi)結合力的強度狀況緣故，使核磁能量在原子間擠壓交合，這時電子的軌道程長（即電子繞核運動時的軌道長度）為最小狀態(tài)，并不能形成自由的程長狀態(tài)，這時使電子成為負核力的能量粒子，直接影響了原子的衰變時間，我們可以把這種情況稱之為：量子負核力效應。

關于“核磁能量在原子間擠壓交合”可以這樣來理解：在原子間由核力相互作用，而形成分子結構形態(tài)以后，是處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于核力大于磁力，核磁不能迫使分子分解成單原子的情況下，核磁之間同性相互擠壓，形成了磁力線縱、橫交織的現(xiàn)象，結果產(chǎn)生了在一定范圍的空間（原子間隙、核力控制區(qū)）中的網(wǎng)態(tài)交合磁力，同時生成擠壓磁疇。而這時磁疇的多少，取決于分子中原子量的多少。

關于“負核力能量粒子”，這是類似于暗物質(zhì)粒子的儲能、放能粒子。根據(jù)質(zhì)能互換原理（E=mc2），我們?nèi)绻阅骋晃锢砹烤V來統(tǒng)一衡量粒子所蘊含的能量及所具有的質(zhì)量，當在粒子儲能量大于粒子質(zhì)量的換算能量時，核力因粒子能量過剩而收縮，并在極短的時間內(nèi)（假定10-2秒量級）釋放所儲能量。之后，又恢復原態(tài)繼續(xù)進行儲能——放能的活動過程，進入一種往復循環(huán)的狀態(tài)。例如石墨烯就有這樣的儲能——放能過程的功能。

如果常態(tài)物質(zhì)中的原子晶粒，在達到變性度量尺寸單位的1nm～100nm量級時，隨著原子晶粒體積的減小，晶粒的比界面增大，晶粒界面的原子數(shù)同總原子數(shù)成反比例。這就是所謂的“比界面”，又可稱為：納米粒子界面比，是指納米粒子在不同體積的情況下，最外層原子的裸露面積，與本粒子原子量總個數(shù)的面積總和之比。當粒子體積大時，裸露的原子面積??；當粒子體積小時，裸露的原子面積就大。假如，一個30～250個原子構成的納米原子簇，界面原子數(shù)或許可以達到總原子數(shù)的80%～90%，這種原子簇沒有固定形態(tài)，原子排序為變化態(tài)，所以這是一種不確定的原子結構形態(tài)，我們可以稱之為：軟化原子簇。

當界面原子與晶粒內(nèi)的原子不同，原子初始位置數(shù)減少，非鍵軌道增加，這時晶粒內(nèi)的結合力下降，界面原子為移活形態(tài)，這種情況下就容易與其他原子簇形成聚集團態(tài)物質(zhì)體，不容易離散移位，可以與多種物質(zhì)進行移活反應。這種界面現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為晶粒減小后，比界面增大，界面曲率（指納米粒子總體積的圓度）也隨比界面而增大，使晶粒面的張力向晶粒內(nèi)形成增壓態(tài)，并造成晶粒收縮。界面原子增多使晶粒的界面能量在全部晶粒能量中的比例增加，從而使晶粒界面的移活性增大，產(chǎn)生了界面效應。

關于“原子初始位置數(shù)”是指納米級粒子之間結合過程中，結合粒子外層原子與被結合粒子外層原子第一次結合時，有多少個原子和有多少個原子結合點。這樣一個確定初始位置數(shù)的做法，是確定納米材料結晶形態(tài)的關鍵環(huán)節(jié)，有自然形成的，也有在工程上以人工形成的。工程上可以按照需要來調(diào)整結晶形態(tài)，從而實現(xiàn)所需要的材料結構的目的。而關于“非鍵軌道”，是在納米粒子粒徑減小后，外層原子量減少，原子裸露面的結合鍵也隨之減少，粒子外層的電子不再受鍵的影響作繞核運動，這時運動的軌道基本是正圓形的，這樣一種電子軌道就是非鍵軌道。

以上納米晶粒產(chǎn)生的界面效應，也有的文獻是這樣描述的：“當固態(tài)粒子很小時，表面原子鍵長比體積內(nèi)原子鍵長減小的趨勢更明顯，并表現(xiàn)為整個固態(tài)粒子點陣參數(shù)的適量減小。表面原子具有的額外能量稱為表面能，表面自由能或表面張力?！盵5]總而言之，當納米晶粒產(chǎn)生界面效應時，這樣一種小分子特性形成后，由于晶粒尺寸單位的減小，宏觀上就表現(xiàn)出這一類材料會對磁、電、光、力和熱等產(chǎn)生不同變性的晶粒效應。

四、關于納米材料幾種典型的變性效應的形成機理

以下我們討論幾種典型的納米材料變性效應：

1、磁學的變性效應。有文獻指出：“當晶粒尺寸減小到納米級時，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響?！盵1]我們認為當材料隨晶粒尺寸單位的減小，原子晶粒中的多磁疇結構形態(tài)就變成單磁疇結構的形態(tài)。在材料中磁疇的多少，是由材料中粒子數(shù)決定的。材料中粒子數(shù)多、粒徑大的粒子，形成的擠壓磁疇也多，這時就出現(xiàn)了多磁疇；當材料中是粒子數(shù)少、粒徑小的粒子，這時形成的擠壓磁疇也就少了。一般小粒徑的納米粒子，基本上都是單磁疇的粒子。

如果在出現(xiàn)單磁疇的情況下，使磁能量的形態(tài)由磁疇壁（指多磁疇或單磁疇的磁疇邊界）形態(tài)，變?yōu)榇女犘齽拥男螒B(tài)，則這種情況是擠壓單磁疇在粒子熱能影響下出現(xiàn)的，這種情況與磁——熱不對稱有關。

這時，納米材料磁的多種異性能KV（指飽和磁化強度、矯頑力、磁導率等特性）與熱能KT（電子運動熱能）基本相同，或者KV小于KT時，由于熱能量的擾動作用，會使納米晶粒的逆磁力（矯頑力）降為零，從而成超通量磁性狀態(tài)。也就是說對于單磁疇的小納米材料，在熱能擾動下，將產(chǎn)生超順磁現(xiàn)象，雖然并非零磁阻，但這種情況對充磁是有利的，也可以成為液化磁。

假如鐵原子晶粒的尺寸單位為兩位數(shù)（十位數(shù)）的納米值時，其逆磁力為某個數(shù)值；而在鐵原子晶粒尺寸單位達到某一個位數(shù)納米值時，逆磁力為零，成為超通量的磁性材料。又比如自然或人造永磁體，在粉碎到成為小納米顆粒（個位數(shù)的尺寸）時，與液體按所需的比例進行混合成磁性液體，就是液化磁。再比如，按納米可流動性解釋，自然或人造永磁體，在粉碎到小納米顆粒時，自身因顆粒坍塌現(xiàn)象（堆積不穩(wěn)定性的現(xiàn)象）而產(chǎn)生了流動性，也稱為：磁的液化效應，或液化磁。

2、電學的變性效應。有文獻指出：“納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變?！盵1]我們認為，當在晶粒尺寸單位減小，界面效應增大的時候，由于量子隧道效應的關系，使電能量的導電率下降，也就是說不能夠產(chǎn)生超導效應。這是因為晶粒減小時，電子與聲子的交合強度增加，從而使晶格體的低頻振動終止，電子間的交合率下降，產(chǎn)生的電子對少了，從而形成了多態(tài)自由電子形態(tài)所致。

關于量子隧道的效應：當材料成為小粒子（納米粒子）時，在合成后，其能級帶就變?yōu)槟芗夵c，點與點之間有能隙存在，這屬于出現(xiàn)低能區(qū)的情況。這個低能區(qū)就造成了宏觀的隧道現(xiàn)象。而具有穿越這個隧道能力的粒子，稱為量子隧道粒子。隧道粒子穿越隧道的過程或現(xiàn)象，即是“量子隧道效應”。關于“聲子”，從嚴格的物理意義上講，“聲子”不是一種永久存在的粒子。這里提出的所謂的“聲子”是泛指那些傳播聲波的介質(zhì)粒子，我們把凡是能夠傳播聲波的介質(zhì)粒子統(tǒng)稱為“聲子”。在噪聲大的環(huán)境中，傳播聲波的粒子（聲子）為在納米材料中形成的應力波傳導粒子，則當與納米材料中運動著的電子耦合性增大時，會影響到電子的交合率，并使之下降。

3、力學的變性效應。有文獻指出：納米材料“隨著尺寸減小，材料的力學性能得到提高?！盵5]我們也認為，在納米材料中，晶粒的高塑性，其結合塊體的韌性大，是納米材料的主要特性。納米塊體的塑性變性原理應該是在低溫中蠕變擴散的。因為蠕變擴散變速率與擴散數(shù)量值系數(shù)成正比，與晶粒的三次方成反比。因此，納米塊體比常態(tài)塊體的擴散系數(shù)高三個量級，而晶粒度小三個量級，則納米塊體的蠕變速率要高于常態(tài)塊體十二個數(shù)量級，并且在低溫下可以對外源力的作用反應加快，形成塑性蠕變速率提高，使納米塊體的韌性增大。

關于“擴散數(shù)量值系數(shù)”，是指納米材料隨溫度變化而形成的蠕變，即納米材料結構晶?；蚓Ц駭U散性遷移的平均速率與蠕變區(qū)擴散性遷移的個數(shù)之比值，也可稱為：一個蠕變溫度均等擴散數(shù)量值系數(shù)。實際上就是指有多少納米粒子參與了蠕變性擴散。

4、熱學的變性效應。有文獻指出，納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學特性。[1]假如納米合金材料的比熱比同類合金在粗晶粒時高出10%～78%，比熱增大的原因是，納米晶粒界面效應形成了特殊的比熱形態(tài)。在溫度相對高的時候，納米晶粒間的原子排序為無序態(tài)，原子密度低，原子間的耦合弱，使晶格振動和組合態(tài)熵變增加，定壓比熱Cp隨熵變增大。納米金屬材料的熱穩(wěn)定性是隨溫度變化而變化的。在一定的溫度情況下相對穩(wěn)定，晶粒受熱能量溫度超過穩(wěn)定溫度時，材料先產(chǎn)生放熱，而后形成吸熱現(xiàn)象。這是因為納米晶?？焖僭龃?，晶格體膨脹形成的吸熱效應。我們可以把這種現(xiàn)象稱之為：晶格膨脹熱力變性效應。

關于“組合態(tài)熵變”，是指納米材料晶粒界面熱力，隨晶粒體積大小的變化而變化，晶粒之間結合時的界面熱力大小，是導致材料蠕變速度快慢的主要成因，也是導致納米材料溫度敏感的主要成因。這種現(xiàn)象，是因為晶粒界面張力在熵變的影響下，產(chǎn)生了不穩(wěn)定形態(tài)，從而使晶粒之間自由結合能在界面張力的作用下減弱，形成了晶粒松散性蠕變。

5、光學的變性效應。有文獻指出：“納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復雜的交互作用?！盵1]假定常態(tài)物質(zhì)對光的反射率大于82%，但在常態(tài)物質(zhì)尺寸單位到達變性納米尺寸時，光的反射率或許只為10%～0.3%，這可稱之為：無反射暗物質(zhì)體效應。這是因為達到變性尺寸的納米晶粒中，原子的曲面反射方向面積增大，光的直反率下降，所以產(chǎn)生了暗物質(zhì)效應。所謂的暗物質(zhì)效應，就是等于暗物質(zhì)體的光子吸收效應。不過要形成暗物質(zhì)效應的納米材料必須是整體塊狀的納米材料才能做到，而目前工程上加工這樣的材料顯然還有很大困難。

這是因為，（1）當物質(zhì)的納米晶粒以通常采用的方式制成型材時，往往納米晶粒隨著與同級晶粒結合時而增長，直到恢復至非納米材料的正常晶粒狀態(tài)，則這時所有納米特性又消失了；（2）納米材料晶粒重新合成制成型材時，必須控制好溫度，否則很容易出現(xiàn)廢品；（3）如果要合成為型材的納米粒徑不均勻，很容易產(chǎn)生材料的龜裂現(xiàn)象，導致這種情況的原因是，納米晶粒如果粒徑大小不同，粒子所帶能級也不同，在合成為型材時會出現(xiàn)晶粒空穴現(xiàn)象，當材料冷卻時，晶粒收縮，則空穴邊界擴展，從而產(chǎn)生龜裂。那么當納米材料不能以整個型材塊體的狀況出現(xiàn)，其暗物質(zhì)效應實際上是難以體現(xiàn)出來的。

五、關于納米材料的幾種典型結構的形成機理

納米晶粒的結構，取決于納米晶粒中的原子——夸克的能量態(tài)和虛量態(tài)的自由交合，不同形式的交合形成了多種形態(tài)的結構體。可以分為粒態(tài)、板態(tài)、柱態(tài)、鏈態(tài)、網(wǎng)格態(tài)、支態(tài)（海棉態(tài)）。形成不同形態(tài)的主要原因，表現(xiàn)為晶粒的尺寸、納米合金材料中的其他普通物質(zhì)與初始納米材料合成結晶后的純度比例（即納米合金材料中含雜量比例）、自由交合寬度（指納米晶粒之間自由結合的量，或自由結合的晶粒數(shù)。結合寬度的大小，取決于納米晶粒界面面積的大?。┘靶纬傻募{米晶粒的方法等要素。

通常納米物質(zhì)的聚集態(tài)為：納米晶粒和納米非晶粒兩種聚集形態(tài)。因為界面原子占的比例大，這兩種聚集形態(tài)都由具有界面的和界面內(nèi)的聚集形態(tài)所構成。

納米晶粒的結構形態(tài)與納米晶粒的大小有關系，常態(tài)納米晶粒為單晶形態(tài)，隨著本體尺寸單位的增大，形成缺陷性的比例也會增加。當納米晶粒尺寸單位達到兩位數(shù)（十位數(shù)）或個位數(shù)時，會使納米晶粒聚集后，處于相對穩(wěn)定形態(tài)。假如形成原子簇的納米晶粒尺寸大于某一個位數(shù)值時，原子間的能量夸克、虛量夸克會因為能量平衡基本核力，從而向能進行外延傳導能量的夸克，形成一種“尋找態(tài)”的交合。關于“尋找態(tài)”交合，是指納米晶粒界面滑動交合時，晶粒界面不斷適應所交合晶粒界面自由結合能量的現(xiàn)象，也就是通過晶?；瑒樱x擇一個自由結合能與本晶粒界面自由結合能基本相符的界面進行交合的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是納米材料形成穩(wěn)定塊體的主要原因。

在“尋找態(tài)”交合過程中，膠子對由鍵傳導的能量進行光色排序，可利用光色能量通過膠子的排序，向膠子控制中的虛量夸克輸入；不能利用的光色能量，就會被膠子通過外延鍵輸出。假如在輸出能量的原子周邊，有著可利用、不能利用的光色能量的原子夸克時，就形成了完整性輸出、輸入系，這時原子間為穩(wěn)定態(tài)。在輸出能量的原子周邊沒有可利用、不能利用的光色能量的原子夸克時，則原子間為斥動態(tài)。輸出能量的原子中的膠子就會控制能量輸出，以尋找態(tài)向周邊外其他原子移動鍵的長度，在尋找到可輸入能量的原子夸克時，把鍵上的迷粒子轉(zhuǎn)換為貝粒子流，向可輸入能量的原子夸克延伸交合，使鍵在交合中變動，帶動本體原子移位，使初始的原子簇中的原子數(shù)產(chǎn)生了移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)。所謂的“移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)”，是指納米晶粒因粒徑減小，而表面積增大后的表面活性隨之增強，形成納米晶粒之間，或納米晶粒與外來原子之間的結合，使得納米晶粒由高活性的形態(tài)，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)的現(xiàn)象。這就是原子數(shù)產(chǎn)生移位變數(shù)穩(wěn)定態(tài)現(xiàn)象。變數(shù)是指增加后的數(shù)，也就是與其他納米晶粒、外來原子，無論在表面的任何位置進行結合，或者結合后再移動變位結合，都能使納米晶粒增量趨于穩(wěn)定。這種移位變數(shù)穩(wěn)定現(xiàn)象也就是所謂的“幻數(shù)效應”。

常態(tài)的原子簇是由個位數(shù)到三位數(shù)（百位數(shù)）個原子聚集形成的團粒態(tài)，原子簇由內(nèi)到外要形成密集態(tài)，同時又要成為低能量結合態(tài)，才是穩(wěn)定形態(tài)的原子簇。原子簇的結構以20面體為穩(wěn)定結構，這種以多面體相對以對稱性結構形態(tài)形成的原子簇都稱為類晶體（準晶體），而納米晶粒是以無序錯位排序的原子簇結構體，則是非晶體。

六、小結

綜上所述，如果從物質(zhì)材料尺寸變化引起特性變化的角度出發(fā)，可以為物質(zhì)納米態(tài)作如下廣義定義：基本尺寸單位10-9m的物質(zhì)晶粒，具有界面效應、晶粒效應的物理、化學特性的物質(zhì)形態(tài)，就是廣義的物質(zhì)納米態(tài)。

如果單純從粒子能量活動的變化角度出發(fā)，也可以為物質(zhì)納米態(tài)作如下的狹義定義：原子的夸克以能量態(tài)尋找虛量態(tài)的自由度達到所需的程度時，即是狹義的物質(zhì)納米態(tài)。

一般情況下，納米材料是作為單一特性材料使用的，當與非納米材料進行合成時，則納米材料就作為填充材料或催化劑使用。比如，在金屬材料中填充某些納米材料，會使金屬材料晶穩(wěn)性增高，材料強度、韌性、抗腐性、導磁性都有所提高。在非金屬材料中填充某些納米材料，則對非金屬材料機械性能、化學性能有所改善。

此外，我們必須知道，某些納米材料粒子是有一定毒性的，在合成期間對人體危害很大，因此目前大規(guī)模生產(chǎn)具有較大的困難。關于納米粉狀粒子有毒性的原因，是粉狀粒子由于體積小，容易被生物細胞吸收。當生物細胞吸收了粉狀納米粒子后，不能排出細胞體外，而在細胞內(nèi)形成了阻塞代謝功能，使細胞快速死亡。這種現(xiàn)象的原因，主要是納米粉狀粒子的表面活性，在與細胞內(nèi)其他原子、分子接觸時，產(chǎn)生了親和性結合，而形成了堆積阻塞代謝功能所致！不過納米塊體或納米的線體材料，由于體積很大，不會被生物細胞吸收。所以，也就沒有傷害生物的毒性，是安全的。