纳米材料的结构及其性能
材料科学中的纳米结构与性能
材料科学中的纳米结构与性能材料科学是一门研究各种材料物质运用、改变、塑造等方面的科学，涵盖了广泛的领域，而其中的纳米结构是近年来备受关注的焦点。
纳米结构是指在纳米尺度（1~100纳米）的范围内，材料的结构和性质发生了显著的变化，比如硬度、强度、导电性等。
这些性质的改变，带来了新的材料特性和应用前景。
在本文中，将会重点探讨纳米结构在材料科学中的应用和性能。
一、纳米结构对材料性能的影响纳米结构的出现，使得材料的物理、化学性质发生了明显的变化。
特别是在纳米尺度下，一些传统材料变得更加坚硬、强韧，而另一些则会出现松散、易碎等性质。
这些性质的变化，直接影响了材料的应用范围和使用效果。
1.硬度与强度研究表明，随着晶粒尺寸的减小，材料的硬度和强度会相应地提高。
这是因为晶粒越小，材料中的位错数量就会增加，导致材料的强度和硬度增加。
纳米晶材料的强度甚至可以与金刚石相媲美，因此在制造坚硬耐磨新型材料上有广泛的应用前景。
2.导电性对于电子学和光电学等领域来说，导电性是一项非常重要的性质。
研究表明，纳米结构的材料可以显著提高导电性，如纳米碳管、纳米颗粒等，均表现出了良好的导电性能。
这种性质的改善，使得纳米结构材料在制造高速电子器件、光电器件、甚至是高价值电子元件等领域都有非常广泛的应用。
3.热稳定性材料在使用过程中，不可避免地会受到一定的温度影响，其中的热稳定性是衡量材料抗高温性的重要指标。
研究发现，纳米结构材料中，晶粒的缺陷和杂质的扩散速率均发生了明显的降低，因此具有更好的热稳定性。
这种性质的改进，可以使材料在高温环境下更加稳定，从而使得材料可以扩展到更多的应用场景中。
二、纳米结构的制备技术纳米结构的制备技术对于纳米材料的性质和应用同样重要。
传统材料制备的方法不适用于纳米材料制备，因此需要专门的制备技术。
1.溶胶凝胶法溶胶凝胶法是指将一个溶解物内的分子或离子在适当的条件下形成胶体凝胶，再通过热处理或化学处理等方法，制备成具有特定纳米结构的材料。
纳米材料的结构与性能
纳米材料的结构与性能纳米材料是指在一维、二维或三维尺度中至少有一个尺寸小于100纳米的材料。
由于其尺寸特殊性，纳米材料具有诸多独特的性能和结构特征。
本文将深入探讨纳米材料的结构与性能，以期对其研究和应用起到一定的帮助。
首先，我们来谈谈纳米材料的结构。
纳米材料的结构形态可以分为多种类型，常见的包括纳米粉末、纳米膜/薄膜、纳米线和纳米颗粒等。
纳米粉末是指粒径小于100纳米的粉末状物质，通常由凝聚或化学方法得到。
纳米膜/薄膜是指在基底上具有纳米级厚度的薄膜，其结构形态可以是连续的，也可以是颗粒状的。
纳米线是一种形态独特的纳米材料，其直径在几十纳米到几百纳米之间，长度可以达到数十微米。
而纳米颗粒则是颗粒状的纳米材料，其尺寸一般在几十纳米至几百纳米之间。
其次，纳米材料的性能是由其特殊的结构决定的。
纳米材料的性能与其尺寸、形态、晶格结构及表面特性等密切相关。
首先，纳米材料具有较大的比表面积。
由于其尺寸小，纳米材料的单位质量表面积要远大于宏观材料，这使得纳米材料具有更多的活性表面，增强了其化学活性、催化性能和吸附能力等。
其次，纳米材料的能带结构与普通材料不同。
由于尺寸效应和限域效应的影响，纳米材料的能带结构发生量子尺寸效应和能带削弱现象，导致纳米材料具有独特的光电特性和电子输运性质。
此外，纳米材料的力学性能也受到了尺寸效应的显著影响，例如纳米线的强度和韧性都明显高于宏观材料。
除了以上结构与性能的关系，我们还需要关注纳米材料的制备方法和应用领域。
目前纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法和机械法等。
物理法包括溅射、凝聚等方法，可以制备出高纯度的纳米材料。
化学法则包括溶液法、气相沉积法等，能够制备出各种形貌和复杂结构的纳米材料。
生物法则是利用生物合成途径，通过微生物、植物或动物等生物体合成纳米材料。
机械法则是利用机械力进行纳米结构的制备，例如球磨、研磨等。
而纳米材料的应用领域十分广泛，包括催化、电子学、光电子学、生物医学、环境保护等。
纳米材料的结构调控与性能优化
纳米材料的结构调控与性能优化纳米材料是一种具有尺寸在纳米尺度范围内的材料，其具有特殊的物理、化学和生物性质。
在过去的几十年里，纳米材料的研究和应用得到了广泛的关注和发展，对于现代科学和技术的进步产生了深远的影响。
纳米材料的结构调控与性能优化是纳米科学与纳米技术的核心问题之一，本文将从不同角度介绍纳米材料的结构调控与性能优化的研究进展。
一、纳米材料的结构调控方法纳米材料的结构调控方法多种多样，包括物理方法、化学方法、生物方法等。
物理方法主要包括溶胶凝胶法、物理气相沉积法、电化学沉积法等，这些方法利用物理性能的调控来实现结构的控制。
化学方法主要包括溶剂热法、溶剂热分解法、微波辅助合成法等，通过化学反应来控制纳米材料的结构。
生物方法则是利用生物分子如蛋白质、多肽等在纳米材料的形成和生长过程中起到的模板作用来进行结构调控。
二、纳米材料的性能优化纳米材料的性能优化是指通过调控纳米材料的结构来改善其物理、化学和生物性能。
其中，物理性能优化主要包括纳米材料的力学性能、导电性能、光学性能等。
例如，通过调控纳米颗粒的大小、形状和分布来改变材料的力学性能；利用纳米材料的表面增大效应来提高其导电和光学性能。
化学性能优化主要包括纳米材料的化学反应活性、化学稳定性等。
通过调控纳米材料的表面结构和组成，可以实现对其化学反应的控制和优化。
生物性能优化主要包括纳米材料在生物体内的相容性、生物相互作用等。
通过表面修饰和功能化处理，可以使纳米材料具有良好的生物相容性，并实现与生物体的特定相互作用。
三、纳米材料的应用前景由于纳米材料具有独特的物理、化学和生物性质，因此在多个领域具有广泛的应用前景。
在能源领域，纳米材料在太阳能电池、燃料电池、储能材料等方面具有重要作用。
在材料科学领域，纳米材料可应用于制备高性能的催化剂、传感器、吸附材料等。
在生物医学领域，纳米材料可用于药物传递、肿瘤治疗、生物成像等。
此外，纳米材料还可应用于纳米电子学、纳米光学、纳米机械等领域。
纳米结构化材料的性能与应用
纳米结构化材料的性能与应用随着科学技术的不断发展，人们对材料的要求也越来越高，尤其是对于一些特殊的应用场景，如高温高压，强度要求等等，传统的材料已经难以满足需求，而纳米材料由于其特有的结构和性质，在这些应用场景中有着不可替代的作用。
在本文中，我们将深入探讨纳米结构化材料的性能和应用。
一、纳米材料的概念与分类所谓纳米材料，就是指材料在尺寸上达到了纳米级别的物质，通常是指其尺寸在1~100纳米之间，也就是说，该材料的某一个维度的尺寸已经趋近于分子和原子的尺寸。
纳米材料按其组成元素可以分为金属、半导体、高分子和碳纳米管等几种。
其中，纳米金属材料的应用最为广泛，如纳米银粉可以制备成电子、光学、抗菌等类别的纳米材料制品。
二、纳米结构化材料的性能由于纳米材料的尺寸非常小，它们的电、热、磁、光等性能与传统的材料有着明显的不同。
下面我们将以纳米金属材料为例，分别介绍纳米结构化材料的电学、热学、磁学和光学性质。
（一）电学性质：由于纳米材料具有巨大的比表面积、高离子扩散、增强的光致发光性能、电荷传递效率、光生电子效应，因此可以用来制造高灵敏电子器件，如烟雾探测、生物/化学传感器等。
（二）热学性质：相比常规材料，纳米和微米材料具有较高的比表面积和更低的热惯量，导致其相应地表现出不同的热学特性，例如较高的热传导率。
纳米结构化热电材料是这个领域中的一个潜在应用，这种材料在发电设备、燃料电池和节能技术中使用。
（三）磁学性质：纳米结构化材料的磁学表现也十分重要。
粒子之间的相互作用的独特性质使得其在数据存储、磁性调控、磁性材料、医学等领域展现出优异的应用前景。
（四）光学性质：纳米材料表现出的光学性质也是十分独特的。
从表面增强拉曼散射到非线性光学，这些材料都拥有广泛的优异性能。
通过在材料表面捕获或缩减光信号，还可以制造出更快速和更紧凑的光电装置。
三、纳米结构化材料的应用近年来，随着纳米材料的开发和生产速度不断提高，其应用领域也越来越广泛。
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应纳米级材料作为新一代材料科学的重要组成部分，因其在力学性能和结构特征方面的独特性质而受到广泛关注。
本文将探讨纳米级材料在力学性能方面的特点以及其在结构材料中的增强效应。
纳米级材料的力学性能表现出与传统材料迥然不同的特点。
一方面，纳米级材料的晶粒大小在纳米级别范围内，晶粒的尺寸效应和表面效应凸显出来。
晶体尺寸减小至纳米级别后，晶界和格错会对材料性能产生显著影响。
晶界对材料的韧性和延展性有所增强，从而更有效地抵抗塑性变形和断裂。
纳米级材料由于其特殊的尺寸效应，其材料的力学性能也会受到量子效应的影响，如电子束缚效应等。
另一方面，纳米级材料的高比表面积使其在力学性能方面呈现出明显的优势。
纳米级材料由于其高表面积与体积之比的巨大增加，使得材料表皮原子数目增多，更多的原子相互作用面，从而增加了材料的强度和硬度。
纳米级材料中存在更多的表面原子，可以有效地吸附和承载外部载荷，提高材料的抗弯曲和抗拉伸性能。
纳米级材料在结构材料中的应用具有显著的增强效应。
通过在结构材料中添加纳米级材料，可以显著改善材料的力学性能和功能性能。
纳米级材料可以增加结构材料的强度和硬度。
由于纳米级材料的高比表面积和尺寸效应，结构材料中添加纳米级材料可以增加材料的晶粒尺寸和表面积，从而提高材料的强度和硬度。
纳米级材料还可以增加材料的塑性变形能力，改善材料的韧性。
纳米级材料的添加还可以改善结构材料的疲劳性能和耐蚀性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以提高结构材料的抗疲劳性能。
纳米级材料的添加能够增加材料的表面硬度和表面凸起，从而减少应力集中和裂纹扩展，提高材料的抗疲劳性能。
纳米级材料还能够提高结构材料的耐蚀性能，有效地阻止材料的腐蚀和氧化。
纳米级材料的应用还可以改善结构材料的导热性能和电子性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以有效提高材料的导热性能。
纳米级材料的添加可以增加材料的界面数目，增强热传导路径，提高材料的导热性能。
纳米材料的特性
块体半导体与半导体 纳米晶的能带示意图
2) 表面效应：纳米颗粒大 的表面张力使晶格畸变， 晶格常数变小。对纳米氧 化物和氮化物的研究表明， 第一近邻和第二近邻的距 离变短，键长的缩短导致 纳米颗粒的键本征振动频 率增大，结果使红外吸收 带移向高波数。
CdSe纳米颗粒的吸收光谱蓝移现象 A.P.Alivisatos, J. Phys. Chem. 100, 13227 (1996)
h
纳米氮化硅、碳化硅以及三氧化二铝粉等对红外有一个 宽频带强吸收谱。
不同温度退火下纳米三氧化二铝材料的红外吸收谱 1－4分别对应873，1073，1273和1473K退火4小时的样品
纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因
1) 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张 力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料键长有一个分 布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。 2) 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷 非常多。界面原子除与体原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而 导致能级分布的展宽。与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的 键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红外 光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。
5nm
>10nm
激子带的吸收系数随粒径的减小而增 加，即出现激子的增强吸收并蓝移。
CdSexS1-x玻璃的吸收光谱
曲线1所代表的粒径大于10nm 曲线2所代表的粒径为5nm
5、纳米微粒发光现象
当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在 一定波长的光激发下发光。所谓光致发光 (photoluminescence)是指在一定波长光照射 下被激发到高能级激发态的电子重新跃回到 低能级被空穴俘获而发射出光子大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移” 现象，即吸收带移向短波长方向。 例如，纳米 SiC 颗粒和大块 SiC 固体的红外吸收频率峰值 分别为814cm-1和794cm-1。纳米SiC颗粒的红外吸收频率较大 块固体蓝移了20cm-1。
纳米复合材料的结构和性能
可用于磁热治疗、磁热发电等领域。
04
CATALOGUE
纳米复合材料的应用
电子信息领域
1 2 3
电子封装材料
纳米复合材料具有优异的热导率和绝缘性能，可 用于电子器件的封装，提高产品的可靠性和稳定 性。
电子元件制造
纳米复合材料可应用于电子元件的制造，如电磁 波吸收材料、电磁屏蔽材料等，提高电子产品的 性能。
环境领域
空气净化
纳米复合材料可用于空气净化器的滤芯材料，吸附和分解空气中 的有害物质，提高室内空气质量。
水处理
纳米复合材料可用于水处理中的吸附剂和催化剂，去除水中的有 害物质和重金属离子。
环保材料
纳米复合材料可用于环保材料的制造，如可降解塑料、绿色包装 材料等，降低环境污染。
生物医疗领域
生物成像
高强度和硬度
纳米复合材料由于其纳米尺度的 增强相，具有高强度和硬度的特 性，能够承受更大的压力和抵抗
更高的温度。
良好的韧性
通过优化增强相的尺寸、形状和分 布，纳米复合材料可以在保持高强 度的同时具备良好的韧性，提高材 料的抗冲击性能。
抗疲劳性能
由于增强相的纳米尺度效应，纳米 复合材料的抗疲劳性能得到显著提 高，能够承受更多的循环载荷。
光学性能
良好的光学透性
01
通过选择透明基体和合适的填料，纳米复合材料可以表现出良
好的光学透性，用于制造光学器件、窗口材料等。
特殊的光学性能
02
一些纳米复合材料具有特殊的光学性能，如光致变色、荧光等
，可用于制造显示器、照明器件等。
光热转换性能
03
一些纳米复合材料可以将光能转换为热能，用于光热治疗、光
热发电等领域。
纳米材料的性能测试方法与数据分析
纳米材料的性能测试方法与数据分析纳米材料是一类具有尺寸在纳米级范围内的材料，其具有较大比表面积和高比表面活性的特点，因此在材料科学领域中引起了广泛关注。
了解纳米材料的性能是进行材料设计与应用的基础，而性能测试方法和数据分析是获得准确可靠的性能参数的关键步骤。
一、纳米材料的性能测试方法1. 结构性能测试纳米材料的结构性能包括晶体结构、晶格常数以及表面形貌等方面。
常用的测试方法包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）等。
XRD用于确定材料的晶体结构和晶格常数，TEM和SEM可观察到材料的表面形貌和纳米尺度下的微观结构。
2. 纳米颗粒尺寸测试纳米材料的尺寸是决定其性能的重要参数之一。
常用的测试方法有动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）。
DLS通过分析光在纳米颗粒表面散射的强度变化来测定颗粒的大小分布，TEM则通过直接观察样品中颗粒的形貌和大小来评估纳米颗粒的尺寸。
3. 成分分析纳米材料的成分分析有助于了解其化学组成以及杂质元素的存在。
常用的分析方法包括能谱分析（EDS）、X射线荧光光谱（XRF）和原子吸收光谱（AAS）。
这些方法可以确定纳米材料中各个元素的含量和化学状态。
4. 热稳定性测试纳米材料的热稳定性对其应用和储存具有重要意义。
热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC）是常用的测试方法。
TGA可以测定纳米材料在升温过程中的质量变化，确定其热稳定性。
DSC可以测量纳米材料在升温/降温过程中的热流量变化，进一步分析材料的热性能。
二、纳米材料性能数据的分析1. 基本数据分析对于纳米材料的结构性能测试数据，可以通过处理原始数据得到有意义的结果。
例如，利用XRD数据可以确定材料的晶体结构和晶格常数，利用TEM和SEM图像可以测量纳米颗粒的尺寸和形貌。
2. 统计分析统计分析是纳米材料性能数据分析的重要手段。
通过对多个样品进行测试，并对测试结果进行统计分析可以获得更可靠的数据。
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纳米材料的结构及其性能摘要：介绍了纳米材料的基本概念，纳米材料基本组成单位，四个效应及相关纳米材料的性能。
关键词：纳米材料结构性能20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials）一跃成为科学家十分关注的研究对象。
新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究领域的"热点"。
1999年12月14日，美国总统科学和技术顾问委员会（PCAST）致函克林顿，极力推荐美国国家科学和技术委员会（NSTC）的提议，即从2001年度财政预算中开始实施"国家纳米技术推进计划"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林顿的高度重视。
2000年1月2日，克林顿签发执行令，决定将NNI 列为美国科技领域最优先发展的计划，并在2000年度财政预案中专为此项计划追加2.25亿美元，与2000年度相比增加了84%。
美国政府这一举措引起了世界范围的广泛关注，新一轮科技竞争已经在或明或暗的气氛中形成，纳米或纳米技术背后隐藏着的巨大商机开始显现，有资料表明，1999年全球纳米技术的生产值达500亿美元，预计到2010年将达到14400亿美元。
1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于10-9米，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。
在英语里纳米用nano 表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。
纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。
纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简称。
狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。
纳米科学（nano scale science），是指研究纳米尺寸范围在0.1-100nm之内的物质所具有的物理、化学性质和功能的科学。
纳米技术（nano scale technology）是指在纳米结构水平上对物质和材料进行研究处理的技术。
纳米技术其实是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
它以纳米科学为理论基础，进行制造新材料、新器件，研究新工艺的方法。
它被公认为21世纪最具有前途的科研领域。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。
其中纳米材料技术着重于材料生产（超微粉、镀膜等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物化、电、磁、热及化学等性能）。
纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。
纳米科学技术的最终目的是人类能够按照自己的意志直接、自如操纵单个原子、制造具有特定功能的产品。
2、纳米材料的结构材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的结构。
纳米材料也同样如此。
对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。
纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。
在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。
纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。
晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单位质量材料的表面积）很大，一般在102～104m2/g。
它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。
例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数53=125个，而表面上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。
这些特点完全不同于普通的材料。
例如，普通材料的比表面积在10m2/g以下，其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。
由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点，从物理学的观点来看，就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来，这是一个由量变到质变的过程。
一个效应我们称之为量子尺寸效应，另一个被称之为表面效应。
量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时，描述它的物理规律完全不同于宏观（普通材料）的规律，不但要用描述微观领域的量子力学来描述，同时要考虑到有限边界的实际问题。
关于量子尺寸效应处理物理问题，到目前为止，还没有一个较为成熟的适用方法。
表面效应是由于纳米材料表面的原子个数不可忽略，而表面上的原子又反受到来自体内一侧原子的作用，因此它很容易与外界的物质发生反应，也就是说它们十分活泼。
纳米材料由于这两上特殊效应的存在，使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。
目前许多实验和应用结果已经证实，纳米材料的熔点、磁性、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。
例如，将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧，发生爆炸；用碳纳米管做成的超级电容器，其体积比电容达到600F/cm3，这在同样体积下电容量为传统电容的几百倍；碳纳米管的强度比钢强100倍……。
基于这些令人兴奋的实验结果，我们完全可以预感到，纳米材料的实际应用一定能够大量地满足人们用普通材料不能达到的要求，提高人们的生活质量，大大促进社会的进步。
3、纳米材料的性能运用纳米技术，将物质加工到一百纳米以下尺寸时，由于它的尺寸已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、化学、导热、导电特性等等，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于该物质在整体状态时所表现的宏观性质，也即纳米材料表现出物质的超常规特性。
3.1 纳米材料的特性（四个效应）当物质尺寸度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有109倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
当小颗粒进入纳米级时，其本身和由它构成的纳米固体主要有如下四个方面的效应。
3.1.1 体积效应（小尺寸效应）当粒径减小到一定值时，纳米材料的许多物性都与颗粒尺寸有敏感的依赖关系，表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应。
例如，对于粗晶状态下难以发光的半导体Si、Ge等，当其粒径减小到纳米量级时会表现出明显的可见光发光现象，并且随着粒径的进一步减小，发光强度逐渐增强，发光光谱逐渐蓝移。
又如，在纳米磁性材料中，随着晶粒尺寸的减小，样品的磁有序状态将发生本质的变化，粗晶状态下为铁磁性的材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态，当金属颗粒减小到纳米量级时，电导率已降得非常低，这时原来的良导体实际上会转变成绝缘体。
这种现象称为尺寸诱导的金属--绝缘体转变。
3.1.2 表面与界面效应粒子的尺寸越小，表面积越大。
纳米材料中位于表面的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，引起表面原子数迅速增加。
如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径小到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。
这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，使其表面能、表面结合能迅速增加致使它表现出很高的粒子化学性。
利用纳米材料的这一特性可制得具有高的催化活性和产物选择性的催化剂。
纳米材料的许多物性主要是由表（界）面决定的。
例如，纳米材料具有非常高的扩散系数。
如纳米固体Cu中的自扩散系数比晶格扩散系数高14～20个数量级，也比传统的双晶晶界中的扩散系数高2～4个数量级。
这样高的扩散系数主要应归因于纳米材料中存在的大量界面。
从结构上来说，纳米晶界的原子密度很低，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散。
普通陶瓷只有在1000℃以上，应变速率小于10-4/s时才能表现出塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。
3.1.3 量子尺寸效应量子尺寸效应在微电子学和光电子学中一直占有显赫的地位。
粒子的尺寸降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动。
这种现象称为量子尺寸效应。
1993年，美国贝尔实验室在硒化镉中发现，随着粒子尺寸的减小，发光的颜色从红色变成绿色进而变成蓝色，有人把这种发光带或吸收带由长波长移向短波长的现象称为"蓝移"。
1963年日本科学家久保（Kubo）给量子尺寸效应下了如下定义；当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级现象。
3.1.4 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。
用此概念可定性地解释超细镍微粒在低温下继续保持超顺磁性。
科学工作者通过实验证实了在低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应。
这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。
由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率，粒子间能充分接近，从而范德华力得以充分发挥，使纳米粒子之间、纳米粒子与其它粒子之间的相互作用异常强烈。
从而使纳米材料具有一系列的特殊的光、电、热、力学性能和吸附、催化、烧结等性能。
3.2 纳米材料的性能3.2.1 力学性能高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比（符合Hall-Retch关系式）。
材料晶粒的细化及高密度界面的存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。
在纳米材料中位错密度非常低，位错滑移和增殖采取Frand-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应。
3.2.2 光学性能纳米粒子的粒径（10～100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。
金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。
由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。