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摘要：纳米材料作为联系宏观物体与微观粒子的桥梁，它具有独特的性质和新的规律，本文试图从哲学角度分析纳米材料与块状材料在性质上的巨大差异，利用质量互变规律解释说明纳米材料不同于一般块状材料的具体原因。
关键词：量变、质变、纳米材料
材料被看作是人类社会进化的里程碑。一部人类文明史，也可以称之为世界材料发展史。二十世纪八十年代末，纳米（nanometre， 10-9米）体系一跃成为科学家们十分关注的研究对象，成为跨世纪材料科学研究的“热点”。
纳米材料一般是指1～100nm之间的粒子组成的材料。纳米粒子是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子，它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，即非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。介观效应使纳米材料表现出独特的物理化学性质，具有不同于常规固体的性能特点。为了更好研究和利用纳米材料，从哲学角度探讨引起纳米材料与块状材料在性质上巨大差异的原因很a有必要。
一、 质与量的对立统一
纳米材料以其特有的性质引起人们的关注，而纳米材料为什么在性能上会与块状材料产生如此之大的区别？量变质变规律可以很好地回答这一问题。
客观存在的一切事物都是质和量的统一体。质总是具有一定量的质，量也总是具有一定质的量，质和量是对立的统一。度就是一定事物保持自己的质的数量界限，体现了事物的质与量的统一。自然界和社会发展中的各种关节点、转折点，都是事物的数量变化引起质变的界限。在这个界限以内，量变不会引起质变，超出这个界限就会发生质变。
将物质逐步微细化就得到所谓的微细颗粒，这些颗粒单位质量的表面积比原来的块状固体要大得多，它与原块状固体的根本区别就在于此。当这一单纯的差别超过一定程度时，这种颗粒在性能上就出现与原固体完全不同的行为，成为“物质的新状态”，处于这种状态的颗粒叫做“纳米粒子”，它与通常的颗粒是有差别的。
在团簇与亚微米体系之间的新的微小体系，即纳米体系的典型代表是纳米微粒，由于其尺度减小至纳米级，比表面很大，产生量子尺寸效应，使它具有不同于常规固体的新特性。在颗粒细化，粒径未进入纳米級尺寸的范围内，其质不会发生大的变化，当粒径继续减小，一旦达到纳米级这一度的范围，量变引起质变，粒子性质就会产生质的飞跃。原来是良导体的金属，当尺寸减小到几个纳米时就变成绝缘体；原来是典型的共价键无极性的绝缘体，当尺寸减小到几纳米或十几纳米时电阻大大下降，甚至可能导电；常规固体在一定的条件下物理性质是稳定的，而在纳米状态下，颗粒尺寸对其性能产生了强烈的影响。不但纳米微粒具有许多独特的性质，而且由它构成的二维薄膜及三维固体也表现出不同于常规块状材料和薄膜的特殊性质。
二、纳米材料中的量变质变
一切事物的发展都采取量变和质变两种状态。由于事物的质是相对稳定的，而量却是不断变化的。因此，事物的发展总是先从量变开始，而量的增加或减少在一定限度内，并不引起质的变化，即事物还保持自己的相对稳定性，量变超出一定的限度，就引起质变，旧质归于消灭，出现了新的质，这是由量变到质变的转化。
纳米材料中涉及的许多未知过程和新奇现象，很难用传统物理化学理论进行解释，这主要是由于物质粒径减小到一定程度后，量变产生了质变。由于纳米材料尺寸小，与电子的德布罗意波长、超导相干波长、激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性、相干性增强，尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现为分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现了许多新奇特性，有了质的飞跃。
例如：纳米陶瓷增韧。在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平时称为纳米陶瓷。由于纳米陶瓷晶粒的细化，达纳米级后晶界数量大幅度增加，可使材料的强度、韧度和超塑性大为提高，为解决陶瓷脆性问题找到一条新的途径。普通陶瓷材料在1000℃以上温度，应变速度极小时才表现出塑性，而纳米陶瓷在高温下却具有类似于金属的超塑性。纳米TiO2陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在180℃下塑性形变可达100%，即使是存在预裂纹的试样，在180℃下弯曲也不发生裂纹扩展。
三、 质变中的量变效应
自然界任何物质系统的任何发展变化过程，总是一个由量变的积累而达到质变才出现新事物的，所以量变是质变的准备和基础，或者说是根本条件。
在粒子的细化过程中，粒径减小的初始阶段，物质的各种性质并未改变，表现为相对静止的状态。随着微粒量变的不断继续，粒子粒径不断减小，当减小至一定程度，粒子大小达到纳米级时，这种大的量变就会产生质的飞跃，物质的性质发生明显的变化，是巨大的量变使对物质的研究进入一个新的微小的体系。在此，我们不得不以微观理论研究物质，从而发现了量变所引起的质变的真正原因。
纳米材料的性质发生根本性的质变，主要是基于量变所产生的以下三方面效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。
1、 小尺寸效应
纳米粒子尺寸、体积极小，所包含的原子、电子数很少。随着体积减小，包含的原子数减少而使能带中能级间隔增大，从而使其在光、电、磁等方面的性能发生改变，因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明。随着纳米颗粒尺寸的不断减小的量变，在一定条件下将引起颗粒性质的质变，这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质称为小尺寸效应。纳米粒子的小尺寸效应为实用开拓了广阔的新领域，例如：纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
2、 表面效应
纳米粒子所含原子数少，其表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大，由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。纳米粒子的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，与表面状态有关的吸附、催化及扩散特性将明显地不同于宏观物体，正是缘于此纳米材料在催化反应中大显神通。 3、 量子尺寸效应
由于宏观物体包括无限多个原子，电子数量极多，它们能级的间隔几乎成为零，形成连续的能带。而当粒子所含的原子数随尺寸减小而降低到一定值时，电子的数量是有限的，不能形成连续的能带，能级间距发生分裂，费米能级附近的电子能级将准连续态分裂为分立能级。能级的平均间距与团簇中自由电子的总数成反比。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光电能量等时，就导致了磁、声电及超导性与宏观物体显著不同。
四、 量变中的部分质变
在事物的质量互变过程中，部分质变是指事物的根本性质未变之前在总的量变过程中所发生的较小范围或规模的飞跃。部分质变也必须以一定的量变作为准备，其作用是通过促进事物总的量变而达到事物的根本质变。
随着纳米科技的发展，人们知道，材料的性质并不是直接决定于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原子分子之间还存在一些介观的层次，这些层次对材料的物性起着决定性的作用。
宏觀体系内，物质的性质不发生变化；随着粒子进入介观体系，较小的粒径会引起一些介观效应，但不发生根本的性质改变。例如，电子能级由准连续态分裂为分立能级，发生部分质变，但由于粒径还不足够小，能级间距小于热能、磁能等，因而无法导致特异现象发生，没有质的大的飞跃。而当粒子粒径一旦达到纳米尺度时，就会导致一系列奇特性质，表现出和宏观材料迥然不同的物性，发生根本质变。
纳米TiO2可分为锐钛矿、金红石及板钛矿三种晶型。TiO2的相组成对其产品的性能有显著影响，金红石型纳米TiO2的耐候性、热稳定性和化学稳定性均优于锐钛型的纳米TiO2。当温度高于900℃时，锐钛型可以转变为金红石型，在纳米TiO2的晶体研究中发现，纳米尺度效应使得TiO2中锐钛型向金红石结构相变温度降低很多，在200℃即可转变为高温的金红石结构。纳米级TiO2粒子由于粒径小至一定程度而具有独特的性能，性质发生了质变。而在纳米范围内粒径继续减小时，其相组成会发生一定变化而引起某些性质的不同，即部分质变，但并不改变其具有的根本性能。
量变质变规律很好地解释说明了纳米材料不同于一般块状材料的具体原因，即材料性质的质变，并且找到了引起这种性质飞跃的真正原因——量变，材料体系尺寸上巨大的量变——不断细化产生了一系列特殊的效应，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等。使纳米材料具备了一系列奇特的性能而在各个领域广泛应用。对纳米材料体系的哲学探讨，为对纳米材料的研究奠定了理论基础。它让人们掌握了自然界所拥有的创新机理。
参考文献
（1）杨金田，曹枫.材料科学与技术.北京.浙江大学出版社2012
（2）胡珊，李珍，谭劲，梁玉军.材料学概论.北京.化学工业出版社.2012
关键词：量变、质变、纳米材料
材料被看作是人类社会进化的里程碑。一部人类文明史，也可以称之为世界材料发展史。二十世纪八十年代末，纳米（nanometre， 10-9米）体系一跃成为科学家们十分关注的研究对象，成为跨世纪材料科学研究的“热点”。
纳米材料一般是指1～100nm之间的粒子组成的材料。纳米粒子是肉眼和一般显微镜看不见的微小粒子，它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，即非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。介观效应使纳米材料表现出独特的物理化学性质，具有不同于常规固体的性能特点。为了更好研究和利用纳米材料，从哲学角度探讨引起纳米材料与块状材料在性质上巨大差异的原因很a有必要。
一、 质与量的对立统一
纳米材料以其特有的性质引起人们的关注，而纳米材料为什么在性能上会与块状材料产生如此之大的区别？量变质变规律可以很好地回答这一问题。
客观存在的一切事物都是质和量的统一体。质总是具有一定量的质，量也总是具有一定质的量，质和量是对立的统一。度就是一定事物保持自己的质的数量界限，体现了事物的质与量的统一。自然界和社会发展中的各种关节点、转折点，都是事物的数量变化引起质变的界限。在这个界限以内，量变不会引起质变，超出这个界限就会发生质变。
将物质逐步微细化就得到所谓的微细颗粒，这些颗粒单位质量的表面积比原来的块状固体要大得多，它与原块状固体的根本区别就在于此。当这一单纯的差别超过一定程度时，这种颗粒在性能上就出现与原固体完全不同的行为，成为“物质的新状态”，处于这种状态的颗粒叫做“纳米粒子”，它与通常的颗粒是有差别的。
在团簇与亚微米体系之间的新的微小体系，即纳米体系的典型代表是纳米微粒，由于其尺度减小至纳米级，比表面很大，产生量子尺寸效应，使它具有不同于常规固体的新特性。在颗粒细化，粒径未进入纳米級尺寸的范围内，其质不会发生大的变化，当粒径继续减小，一旦达到纳米级这一度的范围，量变引起质变，粒子性质就会产生质的飞跃。原来是良导体的金属，当尺寸减小到几个纳米时就变成绝缘体；原来是典型的共价键无极性的绝缘体，当尺寸减小到几纳米或十几纳米时电阻大大下降，甚至可能导电；常规固体在一定的条件下物理性质是稳定的，而在纳米状态下，颗粒尺寸对其性能产生了强烈的影响。不但纳米微粒具有许多独特的性质，而且由它构成的二维薄膜及三维固体也表现出不同于常规块状材料和薄膜的特殊性质。
二、纳米材料中的量变质变
一切事物的发展都采取量变和质变两种状态。由于事物的质是相对稳定的，而量却是不断变化的。因此，事物的发展总是先从量变开始，而量的增加或减少在一定限度内，并不引起质的变化，即事物还保持自己的相对稳定性，量变超出一定的限度，就引起质变，旧质归于消灭，出现了新的质，这是由量变到质变的转化。
纳米材料中涉及的许多未知过程和新奇现象，很难用传统物理化学理论进行解释，这主要是由于物质粒径减小到一定程度后，量变产生了质变。由于纳米材料尺寸小，与电子的德布罗意波长、超导相干波长、激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性、相干性增强，尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现为分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现了许多新奇特性，有了质的飞跃。
例如：纳米陶瓷增韧。在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平时称为纳米陶瓷。由于纳米陶瓷晶粒的细化，达纳米级后晶界数量大幅度增加，可使材料的强度、韧度和超塑性大为提高，为解决陶瓷脆性问题找到一条新的途径。普通陶瓷材料在1000℃以上温度，应变速度极小时才表现出塑性，而纳米陶瓷在高温下却具有类似于金属的超塑性。纳米TiO2陶瓷在室温下就可发生塑性形变，在180℃下塑性形变可达100%，即使是存在预裂纹的试样，在180℃下弯曲也不发生裂纹扩展。
三、 质变中的量变效应
自然界任何物质系统的任何发展变化过程，总是一个由量变的积累而达到质变才出现新事物的，所以量变是质变的准备和基础，或者说是根本条件。
在粒子的细化过程中，粒径减小的初始阶段，物质的各种性质并未改变，表现为相对静止的状态。随着微粒量变的不断继续，粒子粒径不断减小，当减小至一定程度，粒子大小达到纳米级时，这种大的量变就会产生质的飞跃，物质的性质发生明显的变化，是巨大的量变使对物质的研究进入一个新的微小的体系。在此，我们不得不以微观理论研究物质，从而发现了量变所引起的质变的真正原因。
纳米材料的性质发生根本性的质变，主要是基于量变所产生的以下三方面效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。
1、 小尺寸效应
纳米粒子尺寸、体积极小，所包含的原子、电子数很少。随着体积减小，包含的原子数减少而使能带中能级间隔增大，从而使其在光、电、磁等方面的性能发生改变，因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明。随着纳米颗粒尺寸的不断减小的量变，在一定条件下将引起颗粒性质的质变，这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质称为小尺寸效应。纳米粒子的小尺寸效应为实用开拓了广阔的新领域，例如：纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。
2、 表面效应
纳米粒子所含原子数少，其表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大，由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。纳米粒子的比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，与表面状态有关的吸附、催化及扩散特性将明显地不同于宏观物体，正是缘于此纳米材料在催化反应中大显神通。 3、 量子尺寸效应
由于宏观物体包括无限多个原子，电子数量极多，它们能级的间隔几乎成为零，形成连续的能带。而当粒子所含的原子数随尺寸减小而降低到一定值时，电子的数量是有限的，不能形成连续的能带，能级间距发生分裂，费米能级附近的电子能级将准连续态分裂为分立能级。能级的平均间距与团簇中自由电子的总数成反比。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光电能量等时，就导致了磁、声电及超导性与宏观物体显著不同。
四、 量变中的部分质变
在事物的质量互变过程中，部分质变是指事物的根本性质未变之前在总的量变过程中所发生的较小范围或规模的飞跃。部分质变也必须以一定的量变作为准备，其作用是通过促进事物总的量变而达到事物的根本质变。
随着纳米科技的发展，人们知道，材料的性质并不是直接决定于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原子分子之间还存在一些介观的层次，这些层次对材料的物性起着决定性的作用。
宏觀体系内，物质的性质不发生变化；随着粒子进入介观体系，较小的粒径会引起一些介观效应，但不发生根本的性质改变。例如，电子能级由准连续态分裂为分立能级，发生部分质变，但由于粒径还不足够小，能级间距小于热能、磁能等，因而无法导致特异现象发生，没有质的大的飞跃。而当粒子粒径一旦达到纳米尺度时，就会导致一系列奇特性质，表现出和宏观材料迥然不同的物性，发生根本质变。
纳米TiO2可分为锐钛矿、金红石及板钛矿三种晶型。TiO2的相组成对其产品的性能有显著影响，金红石型纳米TiO2的耐候性、热稳定性和化学稳定性均优于锐钛型的纳米TiO2。当温度高于900℃时，锐钛型可以转变为金红石型，在纳米TiO2的晶体研究中发现，纳米尺度效应使得TiO2中锐钛型向金红石结构相变温度降低很多，在200℃即可转变为高温的金红石结构。纳米级TiO2粒子由于粒径小至一定程度而具有独特的性能，性质发生了质变。而在纳米范围内粒径继续减小时，其相组成会发生一定变化而引起某些性质的不同，即部分质变，但并不改变其具有的根本性能。
量变质变规律很好地解释说明了纳米材料不同于一般块状材料的具体原因，即材料性质的质变，并且找到了引起这种性质飞跃的真正原因——量变，材料体系尺寸上巨大的量变——不断细化产生了一系列特殊的效应，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等。使纳米材料具备了一系列奇特的性能而在各个领域广泛应用。对纳米材料体系的哲学探讨，为对纳米材料的研究奠定了理论基础。它让人们掌握了自然界所拥有的创新机理。
参考文献
（1）杨金田，曹枫.材料科学与技术.北京.浙江大学出版社2012
（2）胡珊，李珍，谭劲，梁玉军.材料学概论.北京.化学工业出版社.2012