物质结构与材料性能 一．材料的物理结构 1．材料共有的结构层次 在实际生产、生活中使用的任何材料都是宏观物体。它们都能被分割为若干微小的颗粒，这些颗粒靠拢成一个整体就形成了生产生活中使用的材料。材料的颗粒虽然很小仍是由许多原子团（分子）或原子构成。与这些颗粒相比，相应的分子或原子几乎可以看成是一些点。点与点之间有着相对稳定的、大小不等的距离，从而使它们在颗粒中的空间分布形成各种形状的点阵。原子虽小，仍有内部结构，由带正电的原子核和在核周围运动的电子组成。原子核还有内部结构。如果把原子放大成一个足球场，则原子核像是放在足球场中心的小米粒或黄豆粒，而电子则比灰尘还小，在足球场那末大的空间范围绕核飞舞。原子之间、原子团之间、颗粒之间的相互作用，归根到底主要都是相距比较近的那些原子核、电子之间的相互作用的综合表现。
2．材料在物理结构上的差别
依据上述对材料物理结构层次的认识，可以看出材料在结构上的差别在于：① 构成材料的颗粒大小和结合的紧密程度的差别。② 分子、原子在颗粒中形成的空间点阵形状的差别及构成材料颗粒的原子间结合紧密程度的差别。③ 材料颗粒中亚原子层次的结构和运动的差别，主要是颗粒中电子受束缚状况的差别。④ 构成材料颗粒的原子种类的差别（即元素的差别）。
二．物理结构与材料性能
从化学角度看，材料的化学组成、化学键决定材料的化学性质，而物理结构的差别将导致材料在机械、热、光、电磁等物理性能上的差别。原则上，使用在差别发生层次上适用的物理理论去分析，就能得出大体符合实际的认识。
1．颗粒大小对材料性能的影响 纳米材料
(1)颗粒大小对材料性能的影响
①颗粒越小，颗粒的表面积与其体积的比越大。
可见球形颗粒的表面积与其体积之比与半径R成反比。因而颗粒越小颗粒的表面积与其体积之比越大，处于表面处的原子数所占的比例越大，由这些原子参与的相互作用越强烈。在物理现象中表现为吸附能力增强，电磁作用增强等等。在机械性能上表现为材料的韧性增大，以至通常情况下很脆的陶瓷，当其颗粒线度已近纳米数量级时，可具有良好的韧性。在。化学现象上则表现为化学活性增强，化学反应进行得更为激烈，这正是粉尘易于燃烧和爆炸的原因
②颗粒越小，颗粒间的空隙越小，能进入这些空隙的东西也越小，即其它物质越难进入颗粒间隙。例如当颗粒间的空隙已小到不能允许油分子进入时，油就不能玷污这种材料，当空隙小到水分子也不能进入时，水就不能浸湿它，这就是荷叶不沾水的原因。
③当颗粒线度在几十纳米以下时，原子层次的相互作用，成为支配材料性质的重要因素，使材料表现出与通常情况下不同的宏观性质。例如导电的金属可变为绝缘体，比热出现反常变化等等。这些现象是经典理论不能预言和加以解释的。
从外界与材料相互作用来看，任何来自于外界与材料发生作用的“东西”都有其自身的线度。当材料颗粒的线度与此线度相当时，它们相互作用而产生的现象可能发生很大的变化。例如：当材料颗粒线度远大于光的波长时，光基本被这些颗粒的表面反射；当材料颗粒线度越来越接近光的波长时，发生于空隙中的吸收越来越强，使材料的反射率降低；当颗粒的线度几乎小于光的波长时，反射率已低于1%，于是材料失去原来的光彩而呈现黑色。
(2)纳米材料
纳米(nm)是个长度单位，1 nm =10-9m。原子的线度约为10-10m，大多数分子的线度约为10-10m - 10-7m。材料由线度为100nm-102nm的颗粒构成时，将因上面指出的①、②、③项因素起作用，而具备若干新特性。把线度为100-102nm的颗粒构成的材料称为纳米材料，一般呈球形或类球形。在研究这类材料时既要考虑经典物理可处理的宏观效应，又必须考虑经典物理不能处理的亚原子层相互作用。
无意识地制造和应用纳米材料由来已久。经检测发现，1000多年前中国的优质松烟墨，就是用燃烧松香形成烟雾的碳纳米颗粒制成；一些染料也是纳米颗粒构成；古代铜镜的防锈层是氧化锡（SnO2）纳米颗粒构成的薄膜。甚至生物体的某些构件（如动物的牙齿）是性能结构优异的纳米材料。1984年，联邦德国的物理学家施耐德，率先制备了铅、铜、铁的纳米晶体，这才开始了纳米材料研究的新浪潮。目前纳米材料的应用已进入工业化生产阶段，21世纪将是真正的全面应用纳米材料的世纪。
纳米材料的应用
①磁性功能 纳米材料的尺寸小，一旦被磁化较难失去磁性（矫顽力大），因而适于制作小尺寸高密度的磁记录器件，如制作光快门、复印机墨粉、磁墨水、磁钥匙、磁性票证等。
②纳米传感器 制作传感器是纳米材料最有前景的用途之一，但与传统的传感器尚无竞争能力。现已用SnO2 的纳米薄膜制成气体传感器，由于纳米材料的比表面积大，因而灵敏度高。
③信息技术上 由于纳米材料的第②、③条特性，它具有常规材料所不具备的特性。现用SnO2的纳米材料制作的光纤，大大降低信号传输中的能量损耗。用纳米材料可制作良好的红外反射材料和紫外吸收材料。纳米材料尺寸小，电子传输速度快，可把纳米尺寸的半导体材料做成晶体管，从而在一块芯片上容纳更多的晶体管。
④生物工程上 纳米颗粒尺寸比生物体内的细胞小得多，且具有发光功能，因而可用来进行细胞分离、细胞染色、跟踪生物体内活动等。目前用来跟踪查找艾滋病毒、癌细胞在人体中的活动等。科学家还发现癌细胞特别喜欢“吃”纳米颗粒，这或许为治疗癌症提供新途径。
2004年1月12日，由中国科学院主办、582位院士投票评选的2003年世界十大科技新闻揭晓。排名第一的是美国科学家研制出世界上最小的纳米电动机。该电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300nm，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上，整个电机的直
径约为500nm，比头发丝还小300倍。
最初采用机械粉碎法制备颗粒，近年采用高能球磨法，也就是用球磨机中硬球的转动振动撞击、研磨原材料，把金属或合金粉碎成纳米颗粒，然后通过高压压制成型或烧结成陶瓷的方法，使纳米颗粒定型为纳米固体。近来又发展了气相沉积、液机沉积、溶胶—凝胶等方法来制备纳米块体或薄膜。
2．原子（或分子）的排列对材料性能的影响
材料的性能随材料中原子（或分子）的排列情况而变，大体上可分为以下几类。
(1) 晶体
原子（或分子）在空间中按某一规则周期性地排列而成的材料称为单晶体。由若干微小的单晶体，杂乱地结合而成的材料称为多晶体。
由于晶体中的原子（或分子）作有规则的排列，原子（或分子）只能在某一固定位置附近作微小振动，因而晶体表现为固态，具有规则的外形、确定的熔点。据此，很容易判定常见的石英、云母、明矾、方解石、海盐、雪花（即冰晶）是晶体；玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶都不是晶体。常用来制作各种工具的金属材料则是多晶体。
晶体中基本颗粒在空间各个方向上的排列并不完全一样，这就必然导致晶体材料的机械强度，导热性能，导电性能，透光性能等宏观物理性质随方向而变。这种性质称为晶体的各向异性。多晶体材料中晶粒的混乱排列将对各向异性起到削弱的作用，直至使它消失。
由同一种元素构成的材料，在化学性质上是完全一样的，但随其排列方式的不同，将形成不同物理形态。由同样的单一化学元素构成而物理性质不同的材料称为同素异形体。众所周知，都是由碳元素构成的非晶态的煤、晶态的石墨、晶态的金刚石，在物理性质上就有极大的差别。除石墨和金刚石而外，人们发现了碳的第三种稳定的同素异形体富勒烯——C60。
1969年一块取名为“阿连德”的陨石堕落在墨西哥，美国夏威夷大学和美国宇航局科学家在陨石中发现了由60个碳原子组成的大分子C60。1985年美国莱斯大学的斯莫利和科尔与来访的英国人克罗托，在实验室用大功率激光轰击石墨，做碳的汽化实验时获得C60，发现它的结构特别稳定。当时得到的样品太少，不足以进行结构分析，只能猜想60个碳原子组成的大分子结构很像足球。美国著名建筑力学专家和工程师富勒曾提出，最牢固的结构是薄壳拱形结构，1967年为美国在加拿大蒙特利尔万国博览会展馆设计的圆顶建筑就是一个足球的上半部，故将C60命名为富勒烯。我们都知道足球是由12个五边形（黑色）和20个六边形（白色）缝合而成，每个五边形被五个六边形包围，共有60个顶点，90条边。实验已经证实，C60分子直径约0.71纳米，60个碳原子放在60个顶点上。C60被发现后发展迅速，1990年已经能小批量生产。斯莫利、科尔、克罗托三人因发现C60并提出其分子结构模型而共同获得1996年诺贝尔化学奖。
这种封闭式的C60分子，本身的化学键已经饱和，没有空键，所以由C60分子构成的
固体不需要其它原子填补其表面化学键，因而富勒稀是纯碳结构。另外两种同素异形体石墨和金刚石的表面碳原子的键没有全部饱和，会吸附许多杂质原子。
C60晶体不导电。根据理论计算，C60能带（能带的定义见本节3.）类似于GaAS能带，是窄能带的本征半导体，因而C60是一种新型的半导体材料。1992年已有报道，在C60中掺硼和磷可制成杂质半导体。
实验表明，C60可以承受各向同性的静态压力达203个大气压。若在室温下快速施以20万个大气压的非静压，可将C60转变为人造金刚石。
在C60晶体中掺入碱金属形成的晶体具有超导电性，其最高临界温度已达48K。美国贝尔实验室的研究人员在C60分子间插入三氯甲烷和三溴甲烷，该C60结晶在117K成了超导体。有人预测，随着碳分子族的进一步加大，通过掺杂有可能发现室温超导体。C60超导体是有机物，比起陶瓷材料的高温超导体具有更好的加工性能，因而应用前景看好。
除了C60分子外，人们还发现了全部由碳原子构成的另一些稳定结构。例如：1991年发现的巴基管，是由一些同轴的圆柱形管状碳原子层层叠套，原子层数从二到几十不等，碳原子在管壁上形成六边形结构，并沿管壁方向呈螺旋状，管长度在几纳米到几十纳米之间，故又称为碳纳米管。这种碳纳米管具有一些奇特的力学性质和电子学性质，如有异常高的长度/直径比（如强度相当于同等直径钢的100倍而密度仅为钢的1/6）以及最好的单向导热性等。碳纳米管还是目前唯一可能达到有商业价值指标的储氢材料，一旦在储氢材料上有所突破，在燃料电池汽车等方面会有广泛应用。
（2）非晶固态材料
晶体的重要特征是具有排列有序的、规则的几何形状。但是像玻璃、塑料、沥青、玛瑙等不具备这样的特征，有着不同程度的无序，但又区别于液体。非晶固态是介于晶体和液体间的状态。
①玻璃
玻璃是通过速冷的办法将熔融状态的SiO2等材料冷却、固化而得的非晶态固体。选用不同的熔融物和制备工艺，可获得性能和用途各异的玻璃，如微晶玻璃、光学玻璃、石英玻璃、光致发光玻璃、激光玻璃还有现在广泛采用的镀膜玻璃。
②合金
合金也可看成一种溶液，由于它处在固态，故叫固态溶体。其中一种金属可作溶剂，其它较少的元素便是溶质。如同盐水是溶液，水是溶剂，盐是溶质。通常所用的钢实际是铁与碳的合金，铁可看作溶剂，碳元素是溶质。实践已证明，任何两种金属不可能无限地互溶，也不能绝对不互溶，总是有限度地互溶。例如：铜和银只能有大约10%的互溶度，超过比例就会形成混乱的有颗粒的结构。
一般金属合金都以晶体的形式存在，然而有一类特殊的合金却是非晶态材料，称为金属
