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1、稳 态：体系自由能最低的平衡状态。 亚稳态：如果体系能量高于平衡态时的自由能，则是一种非平 衡状态。 同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。,材料的亚稳态,非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1）细晶组织 当组织细小时，界面增多，自由能升高，故为亚稳状态。 （2）高密度晶体缺陷的存在 晶体缺陷使原子偏离平衡位置，晶体结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。 （3）
2、形成过饱和固溶体 即溶质原子在固溶体中的浓度超过平衡浓度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4）发生非平衡转变，生成具有与原先不同结构的亚稳新相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体 （5）由晶态转变为非晶态，由结构有序变为结构无序，自由能增高 。,纳米晶材料的结构,纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。 纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。纳米材料也可由非晶物质组成。 由不同化学成分物相所组成的纳米晶材料，通常称为纳米复合材料。,1.纳 米 材 料 的 发 现,组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会
3、与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。 那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响，晶粒越小，强度就越高。,格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深入，如果组成材料的晶体晶粒细到只有几个纳米大小，材料会是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！ 格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验，经过将近4年的努力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各
4、种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。 格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。,众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至于金属以外的材料，例如无机化合物和有机化合物，它们也可以带着不同的色彩，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。 可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地“的变化。,为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢？原来，当
5、材料的颗粒尺寸变到小于光波的波长（110-7 m左右）时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1，既然超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。 “小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。 格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。,2. 纳米晶材料的性能,纳米晶材料不仅具有高的强度和硬度，其塑性韧性也大大改善。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，纳米半导体材料却具有高的电导
6、率 ，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。 纳米材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。,3 . 纳米晶材料的形成,纳米晶材料可由多种途径形成，主要归纳于以下四方面。 （1）以非晶态（金属玻璃或溶胶）为起始相，使之在晶化过程中形成大量的晶核而生长成为纳米晶材料。 （2）起始为通常粗晶材料，通过强烈塑性形变（如高能球磨、高速应变、爆炸成形等手段）或造成局域原子迁移（如高能粒子辐照、火花刻蚀等）使之产生高密度缺陷而致自由能升高，转变形成亚稳态纳米晶。 （3）通过蒸发、溅射等沉积途径，如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（
7、CVD）、电化学方法等生成纳米微粒然后固化，或在基底材料上形成纳米晶薄膜材料。 （4）沉淀反应方法，如溶胶一凝胶（sol-gel），热处理时效沉淀法等，析出纳米微粒。,新纳米结构,1.- turumenwtn管状石墨锥,新纳米结构的探索是近年来物理、化学、材料等领域的研究热点之一。中科院物理所王恩哥小组在多年从事CVD方法制备轻元素纳米结构的基础上，用自行研制的微波等离子体CVD系统在铁针尖上成功合成了一种新纳米结构 - 管状石墨锥。为了进一步确定这种特殊结构，博士生张广宇同学赴德国夫琅和夫研究所在姜辛博士的指导下，进行了仔细的电镜分析。这项研究发现，新的纳米结构的外形呈多棱锥状，锥的中心是一
8、个空管。锥的顶部直径2 - 20个纳米，而底部直径可达1微米。更加令人惊奇的是所有的石墨层具有相同的手性zigzag型。,由于这种独特的锥状结构，它可能会在扫描探针显微学、场电子发射器件、纳米加工以及生物化学等领域有广泛的应用前景。与相同长度的碳纳米管相比，管状石墨锥具有极其优越的径向机械强度和稳定性， 可以做为理想的扫描探针的针尖、纳米机械压头和场发射材料。锥内的小孔径通心管（几个到几十个纳米）又可以做为储存和输运液态物质的纳米通道。特别重要的是，石墨锥的底部尺寸达到了微米量级，它可以用今天的微加工技术直接操作，是制作单个纳米器件非常理想的材料。,2.被撞汽车自我愈合,有一种正处于研发期的新
9、材料“自我愈合”材料，将是发生交通事故之后车身自我修复的关键物件。 美国伊利诺伊州立大学教授斯科特怀特最近研制出“自我愈合”材料。 “在人的一生中，人体总在不断地进行自我修复。”怀特说。例如，当人的皮肤被割破时，伤口会给附近的血小板和自细胞发出信号，使它们开始自我修复工作。 “这个主意不错，在裂缝形成的同时就修复它们。”怀特说。,经过研究，怀特发明了这种“自我愈合”例举材料其内部含有数百万充满液体的微型胶囊，一旦车身出现裂纹，只有01毫米厚的胶裂壁就会破裂，并释放出液态的“修复剂”二环戊二烯，在毛细管作用下，会把液态“修复剂”输送到裂缝处，涌入裂缝的“修复剂”在几分钟之内就会凝固，在裂纹还很细
10、小的时候就将它们“填平”，从而显著延长汽车的使用寿命。,自然界中的纳米高手,纳米是一个长度单位，指的是一米的十亿分之一。纳米技术，则是在纳米尺度(1到1000纳米之间)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的技术。在纳米技术中，纳米材料是其主要的研究对象与基础。 事实上，纳米技术并不神秘，也并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了，比如，那些溶洞中的石笋就是一纳米一纳米的生长起来的，所以才千奇百怪；贝壳和牙齿也是一纳米一纳米的生长的，所以才那样坚硬；植物和头发是一纳米一纳米生长的，所以才那样柔韧；荷叶上有用纳米技术生长出来的绒毛，所以才能不沾水，就连我们人类的身
11、体，也是一纳米一纳米生长起来的，所以才那样复杂！,1.洁身自好的莲花 一提到莲花，人们就会很自然地联想到荷叶上滚动的露珠，即所谓的莲花效应。那么，什么原因导致了这种莲花效应呢？莲花效应又能给莲花本身带来什么好处？ 现代电子显微镜技术给可以帮助我们给出正确的答案。通过电子显微镜，可以观察到莲叶表面覆盖着无数尺寸约10个微米突包，而每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。这是自然界中生物长期进化的结果，正是这种特殊的纳米结构，使得荷叶表面不沾水滴。 借助莲花效应，莲花可保持叶子清洁。当荷叶上有水珠时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠可以粘起叶面上的灰尘，并从上面高速滑落，从而使得莲叶能够更
12、好地进行光合作用。,2.飞檐走壁的壁虎 壁虎可以在任何墙面上爬行，反贴在天花板上，甚至用一只脚在天花板上倒挂。它依靠的就是纳米技术。 壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛，可以使壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱，但足以使所谓的范德华键发挥作用，为壁虎提供数百万个的附着点，从而支撑其体重。这种附着力可通过“剥落”轻易打破，就像撕开胶带一样，因此壁虎能够穿过天花板。,利用“罗盘”定位的蜜蜂,研究表明，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。 最新的科学研究发现，蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子，这种磁性的纳米粒子
13、具有类似指南针的功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。当蜜蜂采蜜归来时，实际上就是把自己原来存储的图像和所见到的图像进行对比，直到两个图像达到一致，由此来判断自己的蜂巢。利用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数公里的旅程。,五彩斑斓的蝴蝶,蝴蝶因为其翅膀上变化多端、绚烂美好的花纹而使人着迷。这也让生物学家们感到疑惑：蝴蝶令人眼花缭乱的颜色是如何形成的，又有什么不同意义呢？最近，荷兰格罗宁根大学的希拉尔多博士发现了解决这个问题的通道。在研究了菜粉蝶和其它蝴蝶翅膀的表面后，希拉尔多博士揭示了这个秘密：翅膀上的纳米结构正是蝴蝶的“色彩工厂”。 他的
14、研究表明，蝴蝶翅膀上炫目的色彩来自一种微小的鳞片状物质，它们就像圣诞树上小小的彩灯，在光线的照耀下能折射出斑斓的色彩。蝴蝶翅膀上的颜色其实是一个身份标志。不同颜色的翅膀，让形色万千的蝴蝶能在很远的地方就识别出同伴，甚至辨别出对方是雄是雌。,会吐丝的蜘蛛,蜘蛛的网常常出现在长久没有清扫的房间角落。对于普通人而言，蜘蛛网并不是什么了不起的东西，用扫帚轻轻一拂，蜘蛛网就被扫掉了。但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右，是真正的纯天然纳米纤维。通常，一千根蜘丝合并后比人的头发丝还要细十分之一。 如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索，那么它可以吊起上千吨重的物体，其强度可与钢索相媲美 。 除了用于捕捉飞虫外，几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。,
