納米材料中的量變質(zhì)變探析

王東梅

摘要：納米材料作為聯(lián)系宏觀物體與微觀粒子的橋梁，它具有獨(dú)特的性質(zhì)和新的規(guī)律，本文試圖從哲學(xué)角度分析納米材料與塊狀材料在性質(zhì)上的巨大差異，利用質(zhì)量互變規(guī)律解釋說明納米材料不同于一般塊狀材料的具體原因。

關(guān)鍵詞：量變、質(zhì)變、納米材料

材料被看作是人類社會(huì)進(jìn)化的里程碑。一部人類文明史，也可以稱之為世界材料發(fā)展史。二十世紀(jì)八十年代末，納米（nanometre， 10-9米）體系一躍成為科學(xué)家們十分關(guān)注的研究對象，成為跨世紀(jì)材料科學(xué)研究的“熱點(diǎn)”。

納米材料一般是指1～100nm之間的粒子組成的材料。納米粒子是肉眼和一般顯微鏡看不見的微小粒子，它處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，即非典型的微觀系統(tǒng)，亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。介觀效應(yīng)使納米材料表現(xiàn)出獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，具有不同于常規(guī)固體的性能特點(diǎn)。為了更好研究和利用納米材料，從哲學(xué)角度探討引起納米材料與塊狀材料在性質(zhì)上巨大差異的原因很a有必要。

一、 質(zhì)與量的對立統(tǒng)一

納米材料以其特有的性質(zhì)引起人們的關(guān)注，而納米材料為什么在性能上會(huì)與塊狀材料產(chǎn)生如此之大的區(qū)別？量變質(zhì)變規(guī)律可以很好地回答這一問題。

客觀存在的一切事物都是質(zhì)和量的統(tǒng)一體。質(zhì)總是具有一定量的質(zhì)，量也總是具有一定質(zhì)的量，質(zhì)和量是對立的統(tǒng)一。度就是一定事物保持自己的質(zhì)的數(shù)量界限，體現(xiàn)了事物的質(zhì)與量的統(tǒng)一。自然界和社會(huì)發(fā)展中的各種關(guān)節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)，都是事物的數(shù)量變化引起質(zhì)變的界限。在這個(gè)界限以內(nèi)，量變不會(huì)引起質(zhì)變，超出這個(gè)界限就會(huì)發(fā)生質(zhì)變。

將物質(zhì)逐步微細(xì)化就得到所謂的微細(xì)顆粒，這些顆粒單位質(zhì)量的表面積比原來的塊狀固體要大得多，它與原塊狀固體的根本區(qū)別就在于此。當(dāng)這一單純的差別超過一定程度時(shí)，這種顆粒在性能上就出現(xiàn)與原固體完全不同的行為，成為“物質(zhì)的新狀態(tài)”，處于這種狀態(tài)的顆粒叫做“納米粒子”，它與通常的顆粒是有差別的。

在團(tuán)簇與亞微米體系之間的新的微小體系，即納米體系的典型代表是納米微粒，由于其尺度減小至納米級，比表面很大，產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，使它具有不同于常規(guī)固體的新特性。在顆粒細(xì)化，粒徑未進(jìn)入納米級尺寸的范圍內(nèi)，其質(zhì)不會(huì)發(fā)生大的變化，當(dāng)粒徑繼續(xù)減小，一旦達(dá)到納米級這一度的范圍，量變引起質(zhì)變，粒子性質(zhì)就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。原來是良導(dǎo)體的金屬，當(dāng)尺寸減小到幾個(gè)納米時(shí)就變成絕緣體；原來是典型的共價(jià)鍵無極性的絕緣體，當(dāng)尺寸減小到幾納米或十幾納米時(shí)電阻大大下降，甚至可能導(dǎo)電；常規(guī)固體在一定的條件下物理性質(zhì)是穩(wěn)定的，而在納米狀態(tài)下，顆粒尺寸對其性能產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響。不但納米微粒具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，而且由它構(gòu)成的二維薄膜及三維固體也表現(xiàn)出不同于常規(guī)塊狀材料和薄膜的特殊性質(zhì)。

二、納米材料中的量變質(zhì)變

一切事物的發(fā)展都采取量變和質(zhì)變兩種狀態(tài)。由于事物的質(zhì)是相對穩(wěn)定的，而量卻是不斷變化的。因此，事物的發(fā)展總是先從量變開始，而量的增加或減少在一定限度內(nèi)，并不引起質(zhì)的變化，即事物還保持自己的相對穩(wěn)定性，量變超出一定的限度，就引起質(zhì)變，舊質(zhì)歸于消滅，出現(xiàn)了新的質(zhì)，這是由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化。

納米材料中涉及的許多未知過程和新奇現(xiàn)象，很難用傳統(tǒng)物理化學(xué)理論進(jìn)行解釋，這主要是由于物質(zhì)粒徑減小到一定程度后，量變產(chǎn)生了質(zhì)變。由于納米材料尺寸小，與電子的德布羅意波長、超導(dǎo)相干波長、激子玻爾半徑相比擬，電子局限在一個(gè)體積十分小的納米空間，電子輸運(yùn)受到限制，電子平均自由程很短，電子的局域性、相干性增強(qiáng)，尺度下降使納米體系包含的原子數(shù)大大降低，宏觀固體的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失了，表現(xiàn)為分立的能級，量子尺寸效應(yīng)十分顯著，這使得納米體系的光、熱、電、磁等物理性質(zhì)與常規(guī)材料不同，出現(xiàn)了許多新奇特性，有了質(zhì)的飛躍。

例如：納米陶瓷增韌。在陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)中，晶粒、晶界以及它們之間的結(jié)合都處在納米尺寸水平時(shí)稱為納米陶瓷。由于納米陶瓷晶粒的細(xì)化，達(dá)納米級后晶界數(shù)量大幅度增加，可使材料的強(qiáng)度、韌度和超塑性大為提高，為解決陶瓷脆性問題找到一條新的途徑。普通陶瓷材料在1000℃以上溫度，應(yīng)變速度極小時(shí)才表現(xiàn)出塑性，而納米陶瓷在高溫下卻具有類似于金屬的超塑性。納米TiO2陶瓷在室溫下就可發(fā)生塑性形變，在180℃下塑性形變可達(dá)100%，即使是存在預(yù)裂紋的試樣，在180℃下彎曲也不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。

三、 質(zhì)變中的量變效應(yīng)

自然界任何物質(zhì)系統(tǒng)的任何發(fā)展變化過程，總是一個(gè)由量變的積累而達(dá)到質(zhì)變才出現(xiàn)新事物的，所以量變是質(zhì)變的準(zhǔn)備和基礎(chǔ)，或者說是根本條件。

在粒子的細(xì)化過程中，粒徑減小的初始階段，物質(zhì)的各種性質(zhì)并未改變，表現(xiàn)為相對靜止的狀態(tài)。隨著微粒量變的不斷繼續(xù)，粒子粒徑不斷減小，當(dāng)減小至一定程度，粒子大小達(dá)到納米級時(shí)，這種大的量變就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生明顯的變化，是巨大的量變使對物質(zhì)的研究進(jìn)入一個(gè)新的微小的體系。在此，我們不得不以微觀理論研究物質(zhì)，從而發(fā)現(xiàn)了量變所引起的質(zhì)變的真正原因。

納米材料的性質(zhì)發(fā)生根本性的質(zhì)變，主要是基于量變所產(chǎn)生的以下三方面效應(yīng)，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具備的許多特殊性質(zhì)。

1、 小尺寸效應(yīng)

納米粒子尺寸、體積極小，所包含的原子、電子數(shù)很少。隨著體積減小，包含的原子數(shù)減少而使能帶中能級間隔增大，從而使其在光、電、磁等方面的性能發(fā)生改變，因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明。隨著納米顆粒尺寸的不斷減小的量變，在一定條件下將引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，這種由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)稱為小尺寸效應(yīng)。納米粒子的小尺寸效應(yīng)為實(shí)用開拓了廣闊的新領(lǐng)域，例如：納米粒子的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀本體，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝。

2、 表面效應(yīng)

納米粒子所含原子數(shù)少，其表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大，由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。納米粒子的比表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，龐大的比表面，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，出現(xiàn)許多活性中心，與表面狀態(tài)有關(guān)的吸附、催化及擴(kuò)散特性將明顯地不同于宏觀物體，正是緣于此納米材料在催化反應(yīng)中大顯神通。

3、 量子尺寸效應(yīng)

由于宏觀物體包括無限多個(gè)原子，電子數(shù)量極多，它們能級的間隔幾乎成為零，形成連續(xù)的能帶。而當(dāng)粒子所含的原子數(shù)隨尺寸減小而降低到一定值時(shí)，電子的數(shù)量是有限的，不能形成連續(xù)的能帶，能級間距發(fā)生分裂，費(fèi)米能級附近的電子能級將準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級。能級的平均間距與團(tuán)簇中自由電子的總數(shù)成反比。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、光電能量等時(shí)，就導(dǎo)致了磁、聲電及超導(dǎo)性與宏觀物體顯著不同。

四、 量變中的部分質(zhì)變

在事物的質(zhì)量互變過程中，部分質(zhì)變是指事物的根本性質(zhì)未變之前在總的量變過程中所發(fā)生的較小范圍或規(guī)模的飛躍。部分質(zhì)變也必須以一定的量變作為準(zhǔn)備，其作用是通過促進(jìn)事物總的量變而達(dá)到事物的根本質(zhì)變。

隨著納米科技的發(fā)展，人們知道，材料的性質(zhì)并不是直接決定于原子和分子，在物質(zhì)的宏觀固體和微觀原子分子之間還存在一些介觀的層次，這些層次對材料的物性起著決定性的作用。

宏觀體系內(nèi)，物質(zhì)的性質(zhì)不發(fā)生變化；隨著粒子進(jìn)入介觀體系，較小的粒徑會(huì)引起一些介觀效應(yīng)，但不發(fā)生根本的性質(zhì)改變。例如，電子能級由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級，發(fā)生部分質(zhì)變，但由于粒徑還不足夠小，能級間距小于熱能、磁能等，因而無法導(dǎo)致特異現(xiàn)象發(fā)生，沒有質(zhì)的大的飛躍。而當(dāng)粒子粒徑一旦達(dá)到納米尺度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致一系列奇特性質(zhì)，表現(xiàn)出和宏觀材料迥然不同的物性，發(fā)生根本質(zhì)變。

納米TiO2可分為銳鈦礦、金紅石及板鈦礦三種晶型。TiO2的相組成對其產(chǎn)品的性能有顯著影響，金紅石型納米TiO2的耐候性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于銳鈦型的納米TiO2。當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，銳鈦型可以轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型，在納米TiO2的晶體研究中發(fā)現(xiàn)，納米尺度效應(yīng)使得TiO2中銳鈦型向金紅石結(jié)構(gòu)相變溫度降低很多，在200℃即可轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐慕鸺t石結(jié)構(gòu)。納米級TiO2粒子由于粒徑小至一定程度而具有獨(dú)特的性能，性質(zhì)發(fā)生了質(zhì)變。而在納米范圍內(nèi)粒徑繼續(xù)減小時(shí)，其相組成會(huì)發(fā)生一定變化而引起某些性質(zhì)的不同，即部分質(zhì)變，但并不改變其具有的根本性能。

量變質(zhì)變規(guī)律很好地解釋說明了納米材料不同于一般塊狀材料的具體原因，即材料性質(zhì)的質(zhì)變，并且找到了引起這種性質(zhì)飛躍的真正原因——量變，材料體系尺寸上巨大的量變——不斷細(xì)化產(chǎn)生了一系列特殊的效應(yīng)，小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等。使納米材料具備了一系列奇特的性能而在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對納米材料體系的哲學(xué)探討，為對納米材料的研究奠定了理論基礎(chǔ)。它讓人們掌握了自然界所擁有的創(chuàng)新機(jī)理。

參考文獻(xiàn)

（1）楊金田，曹楓.材料科學(xué)與技術(shù).北京.浙江大學(xué)出版社2012

（2）胡珊，李珍，譚勁，梁玉軍.材料學(xué)概論.北京.化學(xué)工業(yè)出版社.2012