由於奈米材料具有顯然不同於體材料和單個分子的獨特效能--體積效應、量子尺寸效應、表面介面效應和巨集觀隧道效應等及它在電子、光學、化工、陶瓷、生物和醫藥等諸多方面的重要應用而引起人們的高度重視。
當顆粒的尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理特徵尺寸相當或更小時，晶體原有的週期性及邊界條件將被破壞，非晶態奈米微粒表面層附近原子密度減小，導致光、電、聲、磁、熱、力等物性發生嚴重的變化，呈現出一種新的體積效應，其他性質都是此效應的延伸。例如，光吸收顯著增加並產生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態向磁無序態轉變；超導相向正常相的轉變：聲子譜發生改變等
量子尺寸效應是指奈米粒子尺寸下降到一定值時，費公尺能級附近的電子能級由準連續變為分散能級的現象。早在60年代kubo就採用電子模型給出了決定能級間距的著名公式，其中為能級間距，為費公尺能級，n為總電子數。對常規物體，因包含有無限多個原子（即所含電子數 n → ∞），故常規材料的能級間距幾乎為零（→ 0）；而對奈米粒子，因其含原子數有限，有一定的數值，即能級發生了**.
當能級的間距大於熱能、磁能、光子能量、超導態的凝聚能等典型能量值時，必然因量子效應導致奈米微粒的光、熱、電、磁、聲等特性與常規材料有顯著不同。例如，特異的光催化性、 高光學非線性及電學特性等。
對於tio2，實驗研究表明[3]，當tio2粒徑小於10nm時，顯示明顯的量子尺寸效應，光催化反應的量子產率迅速提高；銳鈦礦相tio2的粒徑為3.8nm時，其量子產率是粒徑為53nm的27.2倍。
表面效應是指奈米顆粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大後引起的性質上的變化。奈米微粒尺寸小，表面能高，位於表面的原子佔相當大的比例。隨著粒徑減小，表面原子數迅速增加。
這是由於粒徑小，表面積急劇變大所致。例如，粒徑為10nm，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm表面積猛增到450m2/g。這樣高的比表面積，使處於表面的原子數越來越多，同時表面能迅速增加。
由於表面原子數增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合而穩定下來。
微觀粒子具有貫穿勢壘能力的效應稱為隧道效應。電子既具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些巨集觀量，例如微粒的磁化強度、量子相關器件中的磁通量等也具有隧道效應，它們可以穿越巨集觀體系的勢壘而產生變化，故稱之為巨集觀的量子隧道效應。
這一效應與量子尺寸效應一起，將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者說它確定了現有微電子器件進一步微型化的極限。
隨著奈米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增加，其表面狀態的改變將會引起微粒性質的顯著變化。例如，當在半導體奈米材料表面修飾一層某種介電常數較小的介質時，相對於裸露於半導體奈米材料周圍的其他介質而言，被包覆的奈米材料中電荷載體的電力線更易穿過這層包覆膜，從而導致它與裸露奈米材料的光學性質相比發生了較大的變化，這就是介電限域效應。當奈米材料與介質的介電常數值相差較大時，將產生明顯的介電限域效應。
上述的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、巨集觀量子隧道效應和介電限域效應都是奈米顆粒及奈米固體的基本特徵，這一系列效應導致了奈米材料在熔點、蒸氣壓、相變溫度、光學性質、化學反應性、磁性、超導及塑性形變等許多物理和化學方面都顯示出特殊的效能。它使奈米材料呈現出許多奇異的物理、化學性質。
奈米材料結構與效能
摘要奈米材料具有的獨特的物理和化學性質，使人們意識到它的發展可能給物理 化學 材料 生物 醫藥等學科的研究帶來新的機遇。奈米材料的應用前景十分廣闊。本文簡要介紹了奈米材料在結構與效能方面的一些獨特的性質，包括其物理效應以及物理化學性質。關鍵字 奈米材料，效應，特性 奈米材料是指特徵尺寸在奈米數量級 ...
奈米材料的效能及應用展望
1 引言 奈米材料是指奈米粉末,或用奈米粉末經過一系列製備工藝而得到的薄膜材料或塊體材料,由於奈米材料的晶粒尺寸,晶界尺寸,缺陷尺寸均處在100 及其以下,且晶界數量大幅度增加,使得材料的強度,韌性和超塑性大為提高。對於材料的電學,磁學,光學等效能產生重要的影響。本文根據大量資料,對奈米材料所具有的...
奈米材料的表徵
一 實驗目的 通過實驗了解奈米材料的製備及表徵 二 實驗原理 奈米材料的熱分析主要是指差熱分析 dta 示差掃瞄量熱法 dsc 以及熱重分析 tg 三種方法常常相互結合,並與xrd ir等方法結合用於研究奈米材料或奈米粒子的以下特徵 1 表面成鍵或非成鍵有機基團或其他物質的存在與否 含量多少 熱失重...