納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1nm~100nm）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。

納米材料的基本特性

由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因為這樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。

1、表面效應(yīng)

納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致。由于表面原子數(shù)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(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。例如：金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機(jī)的納米?？兆颖┞对诳諝庵袝讲⑴c氣體進(jìn)行反應(yīng)。

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑變小，表面原子所占百分?jǐn)?shù)將會顯著增加。當(dāng)粒徑降到1nm時，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。

2、小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等待性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。例如：光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)：

（1）力學(xué)性質(zhì)

（2）熱學(xué)性質(zhì)

納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。

（3）電學(xué)性質(zhì)

由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬――絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。

（4）磁學(xué)性質(zhì)

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體

3.量子尺寸效應(yīng)：

當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低軌道能級而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。

量子尺寸效應(yīng)直接解釋了納米粒子特別的熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量以及超導(dǎo)態(tài)的凝聚能等一系列的與宏觀特性有著顯著不同的特性

4.宏觀量子隧道效應(yīng)：

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)了一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。

量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會是未來微電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時，必須要考慮上述的量子效應(yīng)

納米材料奇特的物理性能：

1.奇特的光學(xué)特性：

一是寬頻帶強(qiáng)吸收：納米粒子對光的反射率很低，吸收率很強(qiáng)導(dǎo)致粒子變黑。二是藍(lán)移現(xiàn)象：納米微粒的吸收帶普遍向短波方向移動。三是納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料不出現(xiàn)的新的發(fā)光現(xiàn)象。

2.擴(kuò)散及燒結(jié)性能：

由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。因此，與單晶材料相比，納米結(jié)構(gòu)具有較高的擴(kuò)散率。較高的擴(kuò)散率對蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響，同時可以在較低的溫度對材料進(jìn)行有效的摻雜，可以在較低溫度使不混溶金屬形成新的合金相。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力產(chǎn)生的另一個結(jié)果是可以使納米材料的燒結(jié)溫度大大降低。

納米微粒物性的一個最大特點是與顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。由于納米微粒的小尺寸使其具有了一系列的奇特的物理性質(zhì)，從而給納米材料的應(yīng)用打開了一個廣闊的天地