现代物理科学与技术选讲.docx
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现代物理科学与技术选讲
现代物理科学与技术选讲
目录
1．神奇的纳米科技
2．纳米电子学及其应用
3．纳米材料的奇异性质
4．纳米科技与未来世界
5．超越极限——高温超导技术
6．从经典计算机到量子计算机
7．聚焦凝态物理学之一----高温超导
8．聚焦凝态物理学之二----微结构物理
9．聚焦凝态物理学之三----液晶
10．聚焦凝态物理学之四----有机超导体
11．核能技术和利用
12．能源和能源利用
13．激光技术与应用
14．探测火星
1.神奇的纳米科技
一、什么是纳米科技？
纳米科学技术是研究在千万分之一米（10-8）到亿分之一米（10-9米）内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
二、纳米科技的主要研究内容
创造和制备具备优异性能的纳米材料。
设计和制备各种可供应用的纳米器件和装置。
探测和分析纳米区域的奇异性质和现象。
纳米是尺寸或大小的度量单位：
从京米（109）→兆米（106）→千米（103）→米（100）→毫米（10-3）→微米（10-6）→纳米（10-9）→皮米（10-12）→费米（10-15）。
一纳米大约是4倍原子大小、万分之一头发粗细。
几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。
这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。
“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发旋旋光性和染、颜色及水溶性有重大变化。
当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子。
在10nm尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中，科学面临着新的挑战和机遇。
三、神通广大的纳米科技
诺贝尔物理奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：
如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。
我们不妨来注意以下几种纳米材料的应用前景。
1．奇妙的碳纳米管
碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。
比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。
轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。
如果用碳纳米管作绳索，是港口码头的大吊车上最好的绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索，用它可作为地球到月球乘人的电梯。
另外，由于电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制，因此，可以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料。
其实，这并不是凭空设想，清华大学的范守善教授利用碳纳米管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。
他们将Si-SiO2混合粉体置于石英管中的坩埚底部，加热并通入N2。
SiO2气体与N2在碳纳米管中反应生长出Si3N4纳米线，其径向尺寸为4~40nm。
1998年他们与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管数组的自组织生长，它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。
其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。
2．刚柔并济的纳米陶瓷
陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。
但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。
随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性，而纳米技术是解决陶瓷脆性的战略途径。
纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。
纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其它材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。
3．爱清洁的纳米材料
把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。
将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。
不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料，这些高科技的服装面料将令人耳目一新。
最近，据北京首科集团负责人介绍，首届“首科杯”新女装设计大赛不同于常见的时装，其亮点为高科技面料。
其中相当一部分为首次从实验室拿出来的科研成果。
新的纳米面料则具有自清洁功能，沾上油污用水冲洗即可，这种纳米面料还有抗菌性能。
专业人士研制的超细纤维材料也有神奇的功能：
其材料精细，甚至可代替纸张，制成军用防水地图。
另外，一件看似普通的衣服，一杯水倒上去却能形成水银滚动般的效果，水珠落地衣服仍是干的。
这种用纳米技术处理过的面料，目前正考虑用在警服、军装上，用不了多久警察、军人们就能穿上防油、防水又耐脏的纳米制服了。
这种处理过的面料除了有超疏水、疏油的奇异性外，同时，处理后的面料还保持原有织物的任何特性与特征，不含对人体有害的化学成分。
4．功能强大的半导体纳米材料
半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光原。
它还可以吸收太阳光中的光能；把它们直接变成电能。
目前，单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。
同样，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。
美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。
此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型计算机带来希望。
纳米电子学是立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为对世纪信息时代的核心。
5．巧妙的生物加工厂
众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。
生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。
到目前为止，虽然还没有出现商品化的分子计算机组件，但科学家们认为：
要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。
纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。
它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。
10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。
如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，可作为监测和诊断疾病的手段。
另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。
把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部，使这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那幺药物治疗的效果会大大地提高。
如果设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。
6．善变的纳米氧化物材料
目前，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或Cr2O72-体系），已经取得了很好的效果。
利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。
另外，氧化物纳米微粒的颜色各种各样，因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。
另外，如将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。
用添加0.1~0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。
将金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可以大大降低静电作用。
氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。
做成士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下，会变得更加喧丽多彩。
四、纳米科技—21世纪国家科技竞争力的重要标志
纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。
如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。
在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微系统的研究。
我国许多科研院所和高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：
由中国科学院物理研究所解思深研究员等领导的研究小组完成了面积达3毫米×3毫米，碳纳米管之间间距为100微米的定向纳米碳管数组的合成。
由清华大学范守善教授等研制完成了氮化镓纳米棒，首次利用碳纳米管制备出直径3~40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒。
由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成了准一维纳米丝和纳米电缆的研制，他们利用碳热还原、溶胶—凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。
中国科学技术大学的钱逸泰等用催化热解法制成了纳米金刚石。
中国科技大学的侯建国教授等在纳米材料和纳米结构的高分辨表征、控制等研究领域取得多项国际性显着性成果。
但是，上述这些成功同国外发达国家的先进技术相比还有很大的差距。
早前，德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：
他们认为未来几年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。
并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域。
中国现在已有100家纳米技术企业，十几条纳米生产线。
目前这100多家企业都有自己的产品，但绝大部分是以生产纳米的粉体材料为主，就是把材料做成纳米级的非常小的颗粒，再把粉体做成材料供大家使用。
比如：
纳米洗衣机是在洗衣机内胆涂上一种纳米材料以抑制霉菌的生长；纳米冰箱也是同理；还有纳米领带，普通领带的表面经物理、化学两种纳米方法处理后，便有了很强的自洁能力，不沾水、不沾油；此外，布料、瓷砖等材料经处理后也可具有自洁功能。
科学界预计纳米技术是21世纪可能会取得重要突破的三个领域之一，美国人甚至认为纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机。
而根据德国科技部的预期，到2010年纳米技术的市场会达到1．4万亿美元这幺大的一个潜在市场使得很多企业愿意进行先期投入，比如风险投资，鼓励成果的转化。
所以，不仅美国搞了一个国家纳米科技计划，从欧洲到日本，一些发达国家纷纷制定自己国家的发展战略，投入很多的人力和物力，再加上企业的投入，就形成了今天的纳米热。
2．纳米电子学及其应用
一．纳米电子学
纳米电子学（Nanoelectromics）是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。
自20世纪90年代起，许多国家都先后将纳米电子学作为"国家关键技术之一"，并投入巨资进行研究和开发。
经过几年的努力，已经取得了一系列震动世界的成果，目前正处在重大突破的前夜。
纳米技术发展的一个主要推动力来自于电子工业。
在过去的40年中，晶体管的特征尺寸由1cm减小到小于1um。
现在商用上可以实现在一个集成片上包含100万个单元。
作为信息科技核心的微电子学是以半导体理论为基础的，半导体芯片的加工技术也仅能达到亚微米级，晶体管尺寸大于电子波长。
在这种情况下，电子被看成是一种粒子，只考虑粒子性，而不考虑波动性，基本上不涉及到量子力学理论。
对于这种尺度的电子线路，宏观规律仍旧有效。
纳米电子学主要是提供给人类这样的技术，将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功能密度和资料通过率达到远是目前难以想象的水平。
这个目标的实现不仅需要对器件的概念进行革新，而且器件尺寸进一步缩小10-100倍，即纳米量级。
在这个尺度上，现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新的效应，即量子效应。
利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子激光器和量子干涉器件等。
与电子器件相比，量子器件具有高速、低耗、高效、高集成度、经济可靠等一系列优点。
量子器件的诞生和应用，可以制造出高密度的内存，其存储密度估计可提高1亿倍。
有了这些好处，不仅现在做不到的事能够做到，甚至现在想不到的事也能做到。
就像30多年前还没有发明集成电路时，无法想象电子技术能有今天的发展一样。
例如，巨型计算机到目前为止，其体积还像一个大柜子那幺大，加上外围设备还得放满一个房间，因此只能固定地安装在计算中心使用。
如果有了量子组件，就可以使巨型机缩小到可以放到口袋里。
它所带来的影响将是难以估量的。
又如，现在在室外应用一些智能机器人，其智能水平还受到限制，遇到复杂的情况往往会不知所措。
如果制成小体积、高性能的巨型机，装在机器人体内，它的智能便可大大提高。
由于只有在极微小的空间内才会出现量子效应，所以人们在努力开发量子箱。
量子箱是直径约10纳米的微小构造。
把电子关在这样的箱里，就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现。
利用这一现象使组件动作便可制成量子效应组件，即量子组件。
对这样的组件加正电压时，电子便会进入量子箱中，引起组件的电阻变化，利用电阻大和电阻小的状态，可分别表示"0"或"1"。
加上负电压或用光照射便可使所写入的信息抹去。
不过这一试制的组件，要在零下120氏度低温下工作，所以还不能实用。
如果使量子箱尺寸减小，进一步增强量子效应，就有可能提高工作温度，因此有希望成为耗电极小的大容量内存的基本组成要素。
二、纳米电子学的应用前景
纳米电子学与生物学相结合，为发展生物分子器件和生物计算机展现诱人的前景。
纳米电子学另一令人神往的发展方向是利用纳米电子学和生物学相结合研制生物分子器件。
以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子组件。
在传统的计算机中，其最基本的构件是开关组件，要想提高集成度，创造微型计算机关键在于寻找更小、具有开关功能的基本器件。
在自然界中，能保持物质化学性质不变的最小单位是分子。
科学家们发现，蛋白质分子是选作生物芯片的理想材料，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、内存、传感器、检测器以及蛋白质集成电路等。
另外，利用纳米电子学与纳米机械相结合，可制成微机电系统、微型机器人。
现在日本已研制成功直径只有1-2nm的静电发动机、米粒大小的汽车。
美国已研制成功微型光调器，并计划研制微电机化坦克、纳米航天器等。
德国已研制成功一架肉眼几乎看不见的直升飞机、微型机器人。
最诱人的应用前景是利用纳米电子学与纳米生物学相结合可研制分子机器。
第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体；第二代分子机器是能直接以原子、分子装备成具有一定功能的纳米装置；第三代分子机器将是含有纳米计算机的可人--机对话的并具有自我复制能力的纳米装置。
分子机器一旦研制成功，它能在1秒种内完成数十亿个操作动作，可在几秒钟内完成现在几天或几个月才能完成的工作。
利用分子机器人可在血液中循环，可对身体各部位进行检测、诊断和实施特殊治疗。
还可创造出全新的作战手段。
利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。
纳米电子学的发展是基于对纳米级结构的电子输运性质的研究。
其应用包括基于电子弹道输运原理的超高速开关晶体管，它可成为新一代电子计算机的奠基石；基于量子干涉效应的电子干涉仪；截止频率超过100吉赫的微波器件；基于库仑阻塞效应的单电子晶体管可用于制作标准电流潭，单电子存储单元等。
日本"日经产业新闻"1993年12月3日报导，东芝公司开发的半导体存储组件长度已达40纳米，能用于制作100兆位级的大规模集成电路。
在用量子器件来制造超高密度内存，在1平方厘米的芯片上，将可存储10万亿比特的信息，即相当于600亿个报纸上印刷体的汉字。
日本日女公司研制的量子器件，可以简化运算电路，使原来需要数百个管子的电路换成一个量子器件就可以。
1991年，IBM公司研制成功了开关速度为0．05纳秒的氙原子开关。
利用这种高速开关，美国国会图书馆的全部藏书可存储在一个不大的芯片上。
有了这些体积小，甚至可放在口袋中的器件，掌上型超级计算机将成为现实，机器人的智能也将大大提高，电子信息技术将产生革命性变革。
三、STM技术与纳米加工
自从1981年STM问世以来，把它作为一种纳米加工工具的研究已涉及到在表面直接刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、微小粒子及单原子操作等方面。
首先，通过STM所进行的光刻、微区淀积和刻蚀等操作，有可能将目前大规模集成电路线条宽度从微米数量级降到纳米数量级，这是当今世界高技术领域追求的目标之一；当器件尺寸达到纳米级甚至原子级时，量子效应可能起主要作用，这时有可能发现新效应，据此可设计出新器件，用STM等手段实现这些设想。
其次，利用STM可修补表面淀积和刻蚀等方法建立或切断联机，以消除缺陷，达到修补的目的。
而后还可用STM进行成以检查修补结果的好坏。
另外，把STM的针尖作为工具，可对原子团或原子在表面上的生长、迁移、扩散等物理过程及微小粒子间的相互作用，微小粒子与表面间的相互作用等进行基础研究，以达到目的的控制和安排原子团甚至单个原子的目的。
近年来通过用针尖直接刻写的办法，已在Si（100）表面写入了点的数组，在10*10um，宽120nm的Au-Pd合金薄膜电阻，其室温电阻为2.5KΩ。
电磁聚焦的电子束、离子束或X光束也可用于纳米加工领域。
STM在芯片光刻技术等方面并无竞争能力，但其自有独到的特点。
首先，STM不仅可工作在隧道电流模式，也可工作在场发射模式。
在后一种模式下工作时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。
这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为纳米数量级，所以可能在纳米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应。
与常规的高能电子束光刻不同，低能的STM束流不受在高能电子束光刻中遇到的电子背散射和二次电子等问题的困扰。
另外，STM是目前能提供具有纳米级尺寸的低能（0-20eV）电子束的唯一手段，在控制和研究诸如迁移、化学反应、化学键断裂、微小粒子移动等过程时，由于每个原子的活化能小于10eV，要求探测束粒子的能量必须足够低，这时STM的重要性就更加显而易见了。
四、在军事领域里的应用
纳米技术在军事上的应用，主要体现在把纳米技术转化为微型武器装备系统的技术，其核心是运用微型机电系统实现武器装备袖珍化，以替代现有的重型武器装备。
所谓微型机电系统，是指那种外形轮廓尺寸在毫米以下，构成组件的尺寸在微米-纳米量级内的可控制、可运动的各种微型机电装置。
预计，21世纪纳米技术将成为军用关键技术。
纳米技术将使未来武器装备的发展越来越微型化、袖珍化，它们也将使未来战争变得更加奥妙无穷。
目前，运用纳米技术已研究出如蚂蚁机器人、"小草"传感器、纳米卫星、袖珍遥控飞机等高科技微型武器装备。
蚂蚁机器人背部装有一枚微太阳能电池作动力的微型机器人。
因其有可观的破坏力，又称之为"蚂蚁雄兵"。
通过声音控制，它可以神不知鬼不觉地潜入到敌军要害部门或部位。
它根据指令可执行三大任务：
一是充当遥控探测器；二是充当杀手，专门"吞咬"破坏敌计算机网络与通信线路；三是充当作战平台，即蚂蚁机器人由程控"自行复制"微型探测器和微型地雷，并按一般的密度投放到需要控制的军事敏感区。
通过微观装置焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系"突然瘫痪"，以至于不得不屈服微型机电系统所造成的战争压力。
蚂蚁机器人还可以充当潜伏"特务"，能潜伏敌方关键设备中长达几十年之久。
平时相安无事，战时则可群起而攻之。
"小草"传感器又称为"间谍草"，是一种带有摄像机和传感器的人工小草，能感知外界的震动和声音，能如人眼一般"看"周围景物。
其作用是探测坦克或其它运输工具的行动，并将情报传回指挥部。
"小草"传感器实际上是一种分布式战场微型传感网络，具有造价低廉、投布便利、耐久性强和隐蔽性好等明显优点。
可在重要的作战地区、敌人可能部署的原野上，用飞机快捷地撒布数以万计的这种小于1毫米的廉价微型传感系统，以掌握敌军动向。
也可以散布在天空里，其在茫茫的天空中，不仅肉眼看不到，就是用仪器设备也很难辨认。
用其追捕机动性极高、游动性很大的导弹，比现有的远程探测系统不仅节约大量的人力、物力和财力，而且覆盖面积大，能满足连续监视的要求。
纳米卫星实质上是一种分布式的卫星结构体，或布设成局部星团，或分布式星座。
它是微型电机系统与微电子相结合的专用集成微型航天仪器系统。
纳米卫星这种分布式体系与集中式体系相比，可避免单个航天器失灵后带来的危害，提高航天系统的生存能力和灵活性。
假如在太阳同步轨道施放纳米卫星，在18个等间距的轨道表面上，每个轨道表面等间距地安放36颗，即共施放648颗纳米卫星，就可以保证在任何时刻内对地球上任何一点进行连续不断的覆盖与检视。
纳米技术必将成为21世纪的军用关键技术，届时的战士可能要带上扫描显微镜在战场上才不会吃亏。
那时也许一棵"草"、一只"蚂蚁"就能决定一场战争的胜败。
随着技术的发展，纳米级电子器件和光学器件有可能集成，从而制备光电集成芯片、光内存等等，这将导致未来光电于计算机的可能出现，给人类生活带来光辉的未来。
总之，纳米电子学展现出诱人的应用前景。
3．纳米材料的奇异性质
一．金属超微颗粒的奇异物理性质
利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显着增加，从而产生如下一系列新奇的性质。
（1）特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。
事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。
尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％。
利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。
此外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等。
（2）特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显着降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显着。
例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗的熔点可低于100℃。
因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时组件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。
采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。
日本川崎制铁公司采用0．1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料代替钯与银等贵金属。
超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。
例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200
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