机械与热力学性质

纳米线的尺寸极小且有高表面－体积比，具有一些独特且实用的力学性质。纳米线具有高的硬度和强度，可以用于制作纳米尺度的激励源、量力计以及量热计。同时这种一维纳米结构在其内外分界面处也表现出了独特的稳定性。

多晶固体的Hall－Petch效应，即因多晶固体材料边界的晶格位错而导致其屈服强度和硬度随晶体尺寸减小而增强的现象，是纳米尺度上最熟悉的物理现象之一。然而，现有研究表明，在一定的晶粒尺寸之下Hall－Petch效应会失效，晶粒小于一定尺寸时材料会开始软化。例如，微结构多晶金属存在着强度的异常最大化现象，即其屈服强度会随晶格位错密度的改变而改变，对此Schiøtz进行了分子动力学模拟，结果表明，该现象是由边界晶格位错引起内部晶格位错向边界塌陷而导致的［27］。然而，对于微结构的机械性质的研究不应该仅仅停留在理论仿真上，还需要更多的实验来探究它们的性质，实验数据才能说明一切，这仍需要科学家们的努力。

随着材料尺寸的不断减小，为了减小整体的自由能，材料会尽可能形成表面积较小的体材料，所以一维纳米线和二维纳米薄膜的形成较为困难。制作二维金属薄膜特别是金薄膜时表面引导的结构重建法得到了广泛应用。研究表明，在构造一定厚度的面心立方金属薄膜时，金属会由｛100｝型重构为能量更低的｛111｝型，以释放拉伸应力。Diao等人利用分子动力学模拟在金纳米线中也观察到了类似现象，他们发现初始方向为〈100〉且横截面积小于4nm2的纳米线会自发地由面心立方结构向体心立方结构转变，该转变从纳米线端处成核开始，然后向中间扩散，速度约为金中声速的1／10［29］。而〈110〉或〈111〉方向的纳米线就没有这种现象，因为这些方向缺少足够的应力以克服其总体稳定性。一维纳米结构更详尽的性质还需要更多的实验来获取。

一般来说，晶粒直径在20～40nm的晶体，它们的熔点与其有效半径成反比，这是因为这种结构的表面－体积比特别大，而且晶体在表面有许多未配位的原子。利用飞秒或纳秒脉冲激光，科学家们对溶液中金属纳米棒光致熔融和光致断裂现象进行了细致研究。Wu等人对C壳Ge纳米线（直径在10～100nm）的熔点降低现象进行实验，研究表明，C壳Ge纳米线端在553K便开始融化，完全液化时的温度比体材料的熔点低80K左右［31］。Christenson对纳米线的Gibbs－Tomson现象进行了研究，发现对同种材料，纳米线相比体材料具有更低的固－液均衡温度，且有更强的液体吸附性［32］。由于直径小于10nm的纳米线或纳米杆的生长过于困难，目前还没有关于其热力学熔点的相关实验数据。

对于纳米线来说，由接触面导致的不稳定性是其最重要的特性之一，其中由纳米线与衬底接触界面导致的不稳定性占绝大部分。科学家们利用双层纳米带来模拟这种纳米接口，通过STEM对该结构添加微扰并监测其变化，这样就能得到其分界面的详细信息，如原子扩散、电子转移、晶粒生长、融化过程以及两种材料反应的信息均可以得到。利用此方法科学家们对Cu－SnO2双层纳米带的性质进行了详细的研究：在慢慢加热Cu－SnO2双层纳米带时（温度低于200℃），由于两者表面张力的不同，可以观测到该结构向一侧弯曲的现象；而在中间温度时，Cu层碎裂成了块状，这是由于在此温度下块状的热力学稳定性更高，且其由薄膜向块状结构重建的过程达到了热力学可行条件；在约550℃时，Cu从SnO2衬底中析出并在表面留下刻蚀痕迹，且表现出了几种新的现象和性质。

一般会利用单晶结构来合成纳米线，这样比块状结构会少很多线缺陷，所以一维纳米结构突破了一般晶体的理论限制，会有很高的机械强度／硬度以及韧性，这让纳米线成为纳机电系统中驱动器和一些复合材料的理想物质。1997年，Lieber第一次利用原子力显微镜（AFM）观测了一根在衬底上的SiC纳米线［33］。通过观察发现SiC纳米线和MoS2纳米管的杨氏模量达到了理论极限值。Wang等人通过TEM观察到了单根SiC／SiO2纳米线和ZnO纳米带在电场驱动下的谐振激励现象，利用ZnO纳米带的电场调谐和本征谐振，他们把几乎成直角的ZnO纳米带的一端固定在TEM的网格上，发现其具有双重本征频率，且其平均抗曲模量达到了52GPa［34，35］。

关于纳米线的机械性质的研究还有许多，已经有实验实现了基于一维结构独特性质的机械驱动功能。例如，SiO2纳米线在被电子束加热时，会表现出如弹簧一样的收缩性质；V2O5纳米线可以用作液相中纳机电系统的驱动器。较大的表面积和杨氏模量让纳米线有了很强的抗压能力（5.9MPa）。最近的一个研究发现，纳米线会发生热力学形变，这与著名的双金属现象类似。研究表明外延生长的Cu－SnO2双层纳米带在小于200℃时，热交换具有可逆性，且在TEM下观察到了其顶端有几百纳米的位移。然而要把一维纳米结构用作纳机电器件以及超灵敏压力传感器还需要更多实际的测试与实验，这一领域还有许多问题有待研究者解决。

由于极小的尺寸和极低的质量，纳米谐振器在理论上可以检测到量子限制下的热量变化以及分子尺寸下的质量变化。对于纳米线，其悬臂的谐振频率f0与其几何因子t／L2（t是悬臂厚度，L是悬臂长度）成正比，其质量感应敏感度正比于。Husain等人在利用纳米线制备超高频谐振器上取得了长足进步。最近有科学家利用Si纳米悬臂检测出了5.5fg的质量变化。以上这些都表明了纳米线在量子领域的压力感应、高频电路和热量法上有广阔的应用前景。