从微观粒子层面探究纳米材料特性

晓说

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。