纳米材料特性的微观探析

    纳米材料科学虽是一门新兴学科，但它的研究历史可以追溯到中国古代文房四宝中的黑墨。而在现代科技体系语境下，最早对这一问题进行理论描述的学者是理查 德·费曼;首次提出“纳米”概念的是日本学者谷口纪男。纳米材料理论和技术作为一门正式的学科得以确立，则始于1990年7月在美国召开的第一届国际纳米 科技会议。此后，对这一领域的探索和开拓一浪高过一浪，方兴未艾。

    当前，国内外的研究大致分为两个主要的方向：一是基础理论研究，即对纳米材料形成及其物理化学特性和典型结构形成的机理、机制探索和构建；一是工 程应用研究，即对纳米材料的制备、加工、测量、使用等应用技术的开发和完善。两类研究都以材料基本单元的物理尺度和维度结构作为主要的切入点和重点。涉及 纳米材料中原子层面以下微观粒子的运动规律、这些微观粒子间的能量传递变化规律，以及它们与纳米材料物理化学特性和典型结构形成之间关系的研究成果并不多 见。

    发表在2014年第1期《前沿科学》上的《纳米材料特性形成机理的微观探析》一文，对现有研究成果中有突破前景的若干问题进行了梳理。通过文献分 析，强调了“必须从微观粒子的层面去探究问题的必要性”。着眼于纳米材料在其基本单元维度结构环境下，材料中微观粒子的运动状态和能量变化；指出纳米材料 物理化学特性“涉及到基本粒子的结构、运动、能量变化等深层次的问题”。通过合理假设和分析推理，首先从微观粒子的运动和能量结构角度出发，给出了“纳米 材料的原子的宽自由度运动和交合的形态”使“粒子间的核力结合预选位置数多于常态的物质材料，从而形成了具有自由态的变性形态，所以使纳米材料表现出特殊 性能”的初步结论。然后借助于文中提出的“核质态迷粒子键”“移活性控制力”“外延夸克力”、“负核力的能量粒子”“非键轨道”等一系列新概念，对这一问 题进行了全面分析和演绎论证。得到了“基本粒子的维度结构及结合力（能量结构），在正常情况下，决定了常态物质材料的宏观性能，然而一旦这样的维度结构及 相应的结合力出现背离常态的变化后，就会使材料宏观特性发生明显变化。纳米材料正是基于这样的原因而发生变性的完整结论。

    文章基于上述观点、原理和分析方法，就原因、过程和结果等环节对能量结构变化后的小分子特性进行了描述。进而对纳米材料的磁学、电学、力学、热 学、光学等5个方面的变性效应以及纳米材料几种典型结构的形成机理做了阐释。指出，“当纳米晶粒产生界面效应，这样一种小分子特性形成后，由于晶粒尺寸单 位的减小，宏观上就表现出这一类材料会对磁、电、光、力和热等产生不同变性的晶粒效应”；而“纳米晶粒的结构，取决于纳米晶粒中的原子——夸克的能量态和 虚量态的自由交合，不同形式的交合形成了多种形态的结构体”。

    文章还分别“从物质材料粒子的维度和能量状况背离常态后，产生了奇异特性的角度”和“从物质材料尺寸变化引起特性变化的角度”出发，对纳米材料给出了两个各有侧重的定义。将文中两种定义与欧盟对纳米材料的系统定义放在一起理解，自有一精一全、相得益彰的收获。

    文中关于夸克、迷粒子、胶子、贝粒子、单奇子等微观粒子的运动描述和能量传递描述是全文的精髓。这是作者长期研究容介态理论——包括自然容介态、 生命容介态和思维容介态所得成果在纳米技术领域的借鉴运用，极富创新性和前瞻性。这里的分析方法和演绎结论既是纳米技术领域现有研究过程中所发现的很多现 象、包括某些无法解释的现象的一种推理性延伸，也为后续的进一步研究给出了一种启示性的方向。必须指出的是，上述关于运动状态和能量传递两方面的描述，有 些是基于作者针对微观粒子领域提出的假说和推理来展开的。以宏观物理特别是宏观工程的角度看，这样基于假说的论述似乎缺乏实验支撑。但实际上，由于纳米材 料物质单元其物理尺寸是介于原子簇（个位数至三位数个原子）与宏观物体尺寸之间的介观区域，其长度已经与电子的相干长度以及光波长度比较接近，这时传统力 学和宏观物理的基本观点和原理已经不能适用，必须采用量子力学的基本原理和分析方法（包括其猜想、假说和推理）来进行解释，因此文中假说和推理有其学理背 景及逻辑渊源。而作者在此基础上的分析和论证则是严谨的，所得结论自有其独到的学术价值和科学意义。

    对纳米材料的研究在世界范围内尚处于萌芽状态，无论基础理论方面还是应用技术方面都还有很多未知领域。在这个新兴领域耕耘，以实验结果为基础、以 数理推导为工具，中规中距地开展工作无疑是至关重要的。但大自然的奥秘无穷无尽，暂时无法解析验证的东西实在太多。在“未知”面前坚持“摸索求取总比守株 待兔要好”的思想方法，其实一直都是量子力学、纳米材料科学等微观、介观领域学科能够不断发展的根本动力。因此，当人类现有的科技水平、技术手段和认知能 力面对“纳米”中看不透的迷宫和重重铁幕时，立足于已有研究成果垒筑的基础平台，理性假设、小心求证的学术努力也是十分必要的。因为这种努力的过程和结果 即便不会有吹糠见米的收获，也至少可以为人们提供一个混沌系统中或正或反的参考坐标和大致的突破方向。从这个意义上说，《纳米材料特性形成机理的微观探 析》一文，无论在纳米材料基础理论系统构建上还是在工程应用研究上都有其不容忽视的特殊意义。