纳米材料是指至少有一个维度在1~100nm尺度范围内的材料，Siegels等根据纳米材料的维度将其分为四类：准零维（纳米团簇）、一维（多层）、二维（纳米晶粒层）、三维（等轴块材固体）。纳米材料因其具备独特的物理、化学性能，在国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值。

1.表面与界面效应

固体颗粒的比表面积与其粒径之间的关系可由下式表示：

式中Sw—固体颗粒的比表面积；K—固体颗粒的形状因子（对于球形和立方体粒子而言，）；ρ—固体颗粒的理论密度；D—固体颗粒的平均粒径。

由上式可知固体颗粒的比表面积与其粒径成反比，随着粒子直径的减小，粒子的比表面积会显著增大，表面原子所占比例会急剧上升。

由表面科学的原理可知：表层原子所处的物理和化学环境不同于物体的内部原子，表面原子近邻配位不完全，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来。

假设原子间距为0.3nm，表面原子仅占一层，粗略地估算表面原子所占比例如下表：

由上表可知颗粒粒径大于100nm时，表面原子所占百分数很小，表面效应可以忽略不计；而当粒子粒径小于100nm时，其表面原子百分数随着粒径的减小会急剧增长，此时表面效应将不可忽视。纳米粒子的粒径在1—100nm范围内，其表面原子所占比例很高，粒子的活性位点大大提高，使得纳米粒子具有极高的活性，极易与其它原子相结合，而出现一些非常规现象，例如金属的纳米粒子暴露在空气中会燃烧。

纳米材料

2.量子尺寸效应

所谓量子尺寸效应，是指当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道的现象。

根据能带理论，久保及其合作者指出，金属纳米颗粒具有特殊的电子取出和注入效应，当颗粒较小时，会产生能级分离，能级间距随颗粒变小或总电子数减少而变大，之后提出了相邻电子能级间距和颗粒粒径之间的关系：

式中 ：δ—相邻电子能级间距 ；N—微粒的总导电电子数 EF—费米能级，并且在研究过程中指出，只有能级间距大于或远大于热能时，才能产生能级分裂，从而出现量子尺寸效应。

对于宏观物体而言，其内包含有无限个原子（即导电电子数）,由上式可得能级间距时，即对大粒子或者宏观物体而言，能级间距几乎为零；而对于纳米微粒，所包含的导电电子数有限，其值很小，导致有大值。当大于或远大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，能级产生分裂，量子尺寸效应就会出现，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

3.小尺寸效应

所谓小尺寸效应是指由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的想干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应，这些效应包括光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移、磁有序转向磁无序、超导相向正常相转变、声子谱发生改变等。例如当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的金属光泽而变成黑色，金属超微粒对光的反射率变得很低，通常可低于1%，利用此特性可以将纳米金属材料作为高效率的光热转换材料。

4.宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。几年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量亦显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作，即确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。

5.介电限域效应

介电限域效应主要指纳米微粒分散在异质介质中，由各分散体的界面引起的体系介电效应增强的现象。当介质的折射率与微粒的折射率相差很大时，会产生折射率边界，致使微粒的表面和内部的场强比入射场强明显增加。这种效应主要来源于微粒表面和内部局部场域的增强，这种场域的增强称为介电限域。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等都会有重要的影响。