纳米几乎都是缺陷

科学随想之二

时东陆

古典的科学家都梦想过理想的世界。从理想气体到理想晶体，他们试图得到精美至极的世界：没有杂质，毫无缺陷，绝对真空。近代的科学家，尤其物理学家，为了理想世界，他们用科学的方法创造这样的境界。比如：最高的真空，最低的温度, 最纯的材料，最完美无暇的晶体。
 
为什么科学家如此热衷于理想境界呢？这是因为在理想条件下可以探寻物质世界的真正奥妙。比如：在研究金属的导电性质时，物理学家提出晶体点阵的热震动和晶体缺陷对电子的散射机制。正是由于电子的散射才造成了所谓的电阻现象。为了证明这个理论可以从两方面来研究电阻的行为。首先，点阵的热震动与温度有关；温度越高点阵对电子的散射越严重，因而电阻则越大。但是如果我们可以把温度降到绝对零度，那么这种由于点阵造成的电子散射应该完全消失，从而导致“零电阻” 现象。这样，如果能够把环境温度有效的降至绝对零度，就可以直接的证明这个理论。
 
但是后来科学家发现，即便把温度降到非常接近零度，金属仍然显示一定的电阻。他们随后发现这种“剩余电阻” 来自晶体缺陷对电子的散射。那么，如何从晶体内部去除所有的缺陷就成为解决问题的关键。晶体学家利用各种方法，企图得到绝对纯净，毫无缺陷的金属晶体。在采取了所有可能的措施之后，由于热扰动和缺陷都控制在最小范围之内，他们在近绝对零度的温度下的确得到了近乎没有电阻的金属。以同样的思路出发，科学家可以在极端条件下对物质世界做十分基础的研究，从而探知自然的本原。
 
因此，在传统的基础研究中，人们一般都希望尽量的去除杂质而得到完美的晶体。但是在21世纪的纳米科学研究中，科学家似乎从一个极端走入另一个极端：纳米材料几乎完全是缺陷！
 
为什么这么说呢？我们首先来分析晶体缺陷的本质。在一般的材料学教科书里，把缺陷分为三类：点缺陷，线缺陷，面缺陷。点缺陷一般指那些空位和置换原子；线缺陷为位错，而面缺陷就是晶界和材料表面。试想：如果把氧化铝的块材，变成直径为5纳米的颗粒，那么纳米粒子的比表面积会大大地增加。我们完全可以把纳米颗粒的表面考虑成为一种面缺陷。可以估算一下，在一克重的氧化铝纳米粉末中(假定颗粒直径为5纳米)，颗粒表面会占有很大的比例。例如，钯颗粒的直径为0.77厘米，它的整个表面积是3.6厘米^2。当钯颗粒直径减少到0.01厘米，表面积将增加到280厘米^2。直径为1纳米的钯颗粒，其整个表面积将达到2.8×10^7厘米^2.这样一来，纳米材料的主体部分就都是表面缺陷了。
 
这正是纳米材料的主要特征：晶体缺陷是材料的主体。
 
但是，我们已经建立的物质性质，比如压电性，铁电性，导电性，导热性，超导性，都是建立在具有晶体点阵结构的块材基础上的。这些块材的主体是有序的晶体点阵与数量有限的缺陷。与纳米材料相比，块材的晶体性十分显著。更为重要的是，块材的物理性质完全依赖与它们的晶体性。比如对于压电晶体，它表面电荷的产生与晶体在压力下的非对称性有直接的关联。失去了晶体性，也就失去了与其相对应的物理性质。
 
还有许多固体性质，比如光学性质，塑性形变，导电机制都在物质成为纳米时会发生质的变化。因此，我们测量到的许多纳米性质，可能都与面缺陷有关，而晶体本身的性质会大大地弱化了。





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