納米材料

“納米複合聚氨酯合成革材料的功能化”和“納米材料在真空絕熱板材中的應用”2項合作項目取得較大進展。具有負離子釋放功能且釋放量可達2000以上的聚氨酯合成革符合生態環保合成革戰略升級方向，日前正待開展中試放大研究。

該產品的成功研發及進一步產業化將可輻射帶動300多家同行企業的產品升級換代。聯盟製備出的納米複合絕熱芯材導熱係數可控制為低達4.4mW/mK。該產品已經在企業實現了中試生產，正在建設規模化生產線。

聯盟將重點研究開發阻燃型高效真空絕熱板及其在建築外牆保溫領域的應用研發和產業化，該技術的開發將進一步促進我國建築節能環保技術水平的提升，帶動安徽納米材料產業進入高速發展期。

從尺寸大小來說，通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=1000毫米，1毫米=1000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。

納米金屬材料是20世紀80年代中期研製成功的，後來相繼問世的有納米半導體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫學材料等。

納米級結構材料簡稱為納米材料(nanometer material)，是指其結構單元的尺寸介於1納米～100納米範圍之間。由於它的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現的特性，例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。

納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關於微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的 光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。

納米技術的廣義範圍可包括納米材料技術及納米加工技術、納米測量技術、納米應用技術等方面。其中納米材料技術著重於納米功能性材料的生產（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術（化學組成、微結構、表面形態、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術包含精密加工技術（能量束加工等）及掃描探針技術。

納米材料具有一定的獨特性，當物質尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變為1000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產生明顯的差異。

納米粒子異於大塊物質的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結構，此結構代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結，同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。

就熔點來說，納米粉末中由於每一粒子組成原子少，表面原子處於不安定狀態，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結，而成為良好的燒結促進材料。

一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體，當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時，即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料製作成超微粒子或薄膜時，將成為優異的磁性材料。

納米粒子的粒徑（10納米～100納米）小於光波的長，因此將與入射光產生複雜的交互作用。金屬在適當的蒸發沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應用於紅外線感測器材料。

1861年，隨著膠體化學的建立，科學家們開始了對直徑為1~100nm的粒子體系的研究工作。

真正有意識的研究納米粒子可追溯到20世紀30年代的日本的為了軍事需要而開展的“沉煙試驗”，但受到當時試驗水平和條件限制，雖用真空蒸發法製成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩定。

到了20世紀60年代人們開始對分立的納米粒子進行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發冷凝法制的了金屬納米微粒，並對其進行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國薩爾蘭大學（Saarland University)的Gleiter以及美國阿貢實驗室的Siegal相繼成功地製得了純物質的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進入了一個新階段。

1990年7月在美國召開了第一屆國際納米科技技術會議（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。

自20世紀70年代納米顆粒材料問世以來，從研究內涵和特點大致可劃分為三個階段：

第一階段（1990年以前）：主要是在實驗室探索用各種方法製備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評估表徵的方法，探索納米材料不同於普通材料的特殊性能；研究對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。

第二階段（1990~1994年）：人們關注的熱點是如何利用納米材料已發掘的物理和化學特性，設計納米複合材料，複合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導方向。

第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構材料體系正在成為納米材料研究的新熱點。國際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系。

納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎按一定規律構築或營造的一種新體系。它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。對納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微粒或半導體納米微粒在一個絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體繫上。而納米微粒與介孔固體組裝體系由於微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產生的一些新的效應，也使其成為了研究熱點，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無機介孔複合體和高分子介孔複合體兩大類，按支撐體的狀態又可將它劃分為有序介孔複合體和無序介孔複合體。在薄膜嵌鑲體系中，對納米顆粒膜的主要研究是基於體系的電學特性和磁學特性而展開的。美國科學家利用自組裝技術將幾百隻單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小於0.0001Ω/m;將納米三碘化鉛組裝到尼龍-11上，在X射線照射下具有光電導性能, 利用這種性能為發展數字射線照相奠定了基礎。

納米氧化鋁外觀 白色粉末。

納米氧化鋁晶相γ相。

納米氧化鋁平均粒度(nm) 20±5.

納米氧化鋁含量% 大於 99.9%。

熔點：2010℃-2050 ℃

沸點：2980 ℃

相對密度（水=1）】：3.97-4.0

1、天然納米材料

海龜在美國佛羅里達州的海邊產卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國附近的海域，才能得以生存和長大。最後，長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產卵。如此來回約需5～6年，為什麼海龜能夠進行幾萬千米的長途跋涉呢？它們依靠的是頭部內的納米磁性材料，為它們準確無誤地導航。

生物學家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什麼從來不會迷失方向時，也發現這些生物體內同樣存在著納米材料為它們導航。

2、納米磁性材料

在實際中應用的納米材料大多數都是人工製造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學性質，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結構和矯頑力很高的特性，用它製成的磁記錄材料不僅音質、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ-Fe2O3高几十倍。超順磁的強磁性納米顆粒還可製成磁性液體，用於電聲器件、阻尼器件、旋轉密封及潤滑和選礦等領域。

3、納米陶瓷材料

傳統的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質脆，燒結溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運動，因此，納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然後做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規陶瓷材料的硬度和化學穩定性，而內部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

4、納米感測器

納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們製作溫度感測器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀，檢測靈敏度比普通的同類陶瓷感測器高得多。

5、納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發動機中，燃燒室的內表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內表面要用陶瓷製作，外表面則要用導熱性良好的金屬製作。但塊狀陶瓷和金屬很難結合在一起。如果製作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結成形時，就能達到燃燒室內側耐高溫、外側有良好導熱性的要求。

6、納米半導體材料

將硅、砷化鎵等半導體材料製成納米材料，具有許多優異性能。例如，納米半導體中的量子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、導電率降低，電導熱係數也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現負值。這些特性在大規模集成電路器件、光電器件等領域發揮重要的作用。

利用半導體納米粒子可以製備出光電轉化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由於納米半導體粒子受光照射時產生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無機物，降解大多數有機物，最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等，所以，可以藉助半導體納米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。

7、納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑，這是由於納米粒子尺寸小、表面的體積分數較大、表面的化學鍵狀態和電子態與顆粒內部不同、表面原子配位不全，導致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應的溫度從600 ℃降低到室溫。

8、醫療上的應用

血液中紅血球的大小為6 000～9 000 nm，而納米粒子只有幾個納米大小，實際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個部位，便可以檢查病變和進行治療，其作用要比傳統的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好，21世紀的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較複雜，而且一般只適用於製備硬材料。

介入性氣囊和導管一般是用高彈性的聚氨酯材料製備，通過把具有高長徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中，我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優異的力學性質和容易加工成型的特性，一方面獲得更好的血液相溶性。

實驗結果顯示，這種納米複合材料引起血液溶血的程度會降低，激活血小板的程度也會降低。

使用納米技術能使藥品生產過程越來越精細，並在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布製造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便，用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索並攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進行修飾形成一些具有靶向，可控釋放，便於檢測的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法，為藥物開發開闢了新的方向。

9、納米計算機

世界上第一台電子計算機誕生於1945年，它是由美國的大學和陸軍部共同研製成功的，一共用了18 000個電子管，總重量30 t，佔地面積約170 ㎡，可以算得上一個龐然大物了，可是，它在1 s內只能完成5 000次運算。

經過了半個世紀，由於集成電路技術、微電子學、信息存儲技術、計算機語言和編程技術的發展，使計算機技術有了飛速的發展。今天的計算機小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬分之一，但運算速度卻遠遠超過了第一代電子計算機。

如果採用納米技術來構築電子計算機的器件，那麼這種未來的計算機將是一種“分子計算機”，其袖珍的程度又遠非今天的計算機可比，而且在節約材料和能源上也將給社會帶來十分可觀的效益。

可以從閱讀硬碟上讀卡機以及存儲容量為晶元上千倍的納米材料級存儲器晶元都已投入生產。計算機在普遍採用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

10、納米碳管

1991年，日本的專家製備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖所示。

這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長的尺寸都是納米量級的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強度比鋼高出100倍，導電率比銅還要高。

在空氣中將納米碳管加熱到700 ℃左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的納米碳管。然後用電子束將低熔點金屬（如鉛）蒸發后凝聚在開口的納米碳管上，由於虹吸作用，金屬便進入納米碳管中空的芯部。由於納米碳管的直徑極小，因此管內形成的金屬絲也特別細，被稱為納米絲，它產生的尺寸效應是具有超導性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導體。

納米技術在世界各國尚處於萌芽階段，美、日、德等少數國家，雖然已經初具基礎，但是尚在研究之中，新理論和技術的出現仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。

11、家電

用納米材料製成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調外殼裡的抗菌除味塑料。

12、環境保護

環境科學領域將出現功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學和生物製劑造成的污染，並能夠對這些製劑進行過濾，從而消除污染。

13、紡織工業

在合成纖維樹脂中添迦納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復配粉體材料，經抽絲、織布，可製成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內衣和服裝，可用於製造抗菌內衣、用品，可製得滿足國防工業要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

14、機械工業

採用納米材料技術對機械關鍵零部件進行金屬表面納米粉塗層處理，可以提高機械設備的耐磨性、硬度和使用壽命。

納米新材料配方是一門在100 納米以內空間內，通過自然更改直接排序原子與分子創造出來的新納米材料的項目。納米新材料與該領域是現代力量和現代技術創新的起點，新的規律和原理的發現與全新的理念創設給予基礎科學，提供了新的機會，這會成為許多領域的重要改革新動力。納米新材料配方由於SAIZU細小，擁有很多奇特的性能。1988年Baibich 等第一次在納米Fe/ Cr MS里發現磁電阻變化率達到百分之五十，與一般的ME比起來要大一個級別，並且是負值的，各向一樣，稱作GMR。之後還在納米體系的、隧道結和Perovskite結構、顆粒膜中發現巨ME。裡面Perovskite結構在一九九三年是發現且具有極大ME,叫做CMR ,在隧道結中找到的為TMR。

納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發時間最長、技術最為成熟，是生產其他三類產品的基礎。

利用納米技術開發的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，並對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產生重要影響，為代替工程陶瓷的應用開拓了新領域。

隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服。

陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性。

英國材料學家Cahn指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。納米耐高溫陶瓷粉塗層材料是一種通過化學反應而形成耐高溫陶瓷塗層的材料

又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介於原子、分子與宏觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於：高密度磁記錄材料；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學器件拋光材料；微晶元導熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用於陶瓷發動機等）；人體修復材料；抗癌製劑等。

指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。可用於：微導線、微光纖（未來量子計算機與光子計算機的重要元件）材料；新型激光或發光二極體材料等。靜電紡絲法是製備無機物納米纖維的一種簡單易行的方法。

納米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用於：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導材料等。

納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強度材料；智能金屬材料等。

（1）惰性氣體下蒸發凝聚法。通常由具有清潔表面的、粒度為1-100nm的微粒經高壓成形而成，納米陶瓷還需要燒結。國外用上述惰性氣體蒸發和真空原位加壓方法已研製成功多種納米固體材料，包括金屬和合金，陶瓷、離子晶體、非晶態和半導體等納米固體材料。我國也成功的利用此方法製成金屬、半導體、陶瓷等納米材料。

（2）化學方法：1水熱法，包括水熱沉澱、合成、分解和結晶法，適宜製備納米氧化物；2水解法，包括溶膠-凝膠法、溶劑揮發分解法、乳膠法和蒸發分離法等。

（3）綜合方法。結合物理氣相法和化學沉積法所形成的製備方法。其他一般還有球磨粉加工、噴射加工等方法。

納米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發達國家都投入大量的資金進行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心，日本文教科部把納米技術，列為材料科學的四大重點研究開發項目之一。在德國，以漢堡大學和美因茨大學為納米技術研究中心，政府每年出資6500萬美元支持微系統的研究。在國內，許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開展納米技術的研究工作，並取得了一定的研究成果，主要如下：

定向納米碳管陣列的合成，由中國科學院物理研究所解思深研究員等完成。他們利用化學氣相法高效製備出孔徑約20納米，長度約100微米的碳納米管。並由此製備出納米管陣列，其面積達3毫米×3毫米，碳納米管之間間距為100微米。

氮化鎵納米棒的製備，由清華大學范守善教授等完成。他們首次利用碳納米管製備出直徑3~40納米、長度達微米量級的半導體氮化鎵一維納米棒，並提出碳納米管限制反應的概念。並與美國斯坦福大學戴宏傑教授合作，在國際上首次實現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。

准一維納米絲和納米電纜，由中國科學院固體物理研究所張立德研究員等完成。他們利用碳熱還原、溶膠-凝膠軟化學法並結合納米液滴外延等新技術，首次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。

用催化熱解法製成納米金剛石，由山東大學的錢逸泰等完成。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反應，以此製備出了金剛石納米粉。

但是，同國外發達國家的先進技術相比，我們還有很大的差距。德國科學技術部曾經對納米技術未來市場潛力作過預測：他們認為到2000年，納米結構器件市場容量將達到6375億美元，納米粉體、納米複合陶瓷以及其它納米複合材料市場容量將達到5457億美元，納米加工技術市場容量將達到442億美元，納米材料的評價技術市場容量將達到27.2億美元。並預測市場的突破口可能在信息、通訊、環境和醫藥等領域。

總之，納米技術正成為各國科技界所關注的焦點，正如錢學森院士所預言的那樣："納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的特點，會是一次技術革命，從而將是21世紀的又一次產業革命。"

2011年10月19日歐盟委員會通過了對納米材料的定義，之後又對這一定義進行了解釋。根據歐盟委員會的定義，納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團塊狀天然或人工材料，這一基本顆粒的一個或多個三維尺寸在1納米至100納米之間，並且這一基本顆粒的總數量在整個材料的所有顆粒總數中佔50%以上。

1納米等於十億分之一米。在納米尺度上，一些材料具有很多特殊功能。納米材料已在人們的工作和生活中得到廣泛應用。

在歐盟委員會通過的納米材料定義中，為什麼限定基本顆粒大小在1納米至100納米之間？歐盟委員會認為，已知的大多數納米材料的基本組成顆粒都在這一範圍內，當然超出這一範圍的材料也有可能具有納米材料的特點。這一規定是為了使標準明確。

為什麼要求納米材料的基本顆粒總數量在整個材料的所有顆粒總數中佔50%以上？歐盟委員會認為，納米顆粒比例過低會淹沒整個材料的納米特性，50%是一個比較合適的比例。另外，用納米顆粒的數量比例而不是用質量比例作為納米材料的衡量標準，更能體現納米材料的特點。因為一些納米材料密度很低，在質量比例較小的情況下已經能顯現出明顯的納米材料特點。

為什麼納米材料包括天然材料？歐盟委員會認為，納米材料應按照基本組成顆粒的大小來定義，不管它是天然的還是人造的。實際上一些天然材料也具有人造納米材料的特點。

為什麼把具有納米結構的材料排除在納米材料之外？歐盟委員會認為，儘管這種材料也具有納米材料的特點，但還無法對納米結構進行明確定義，因而不具有可操作性。

為什麼含納米材料的產品不是納米材料？歐盟委員會認為，納米材料是原材料或者原材料的混合物，當它與其他材料製成產品后，已經與其他材料形成新的材料，因而製得的產品就不再是納米材料了。

不過，歐盟委員會也承認，這一定義還有不完善之處，並因此決定在2014年根據科技的發展和定義的實際實施情況修訂這一定義。（轉自新華網）

當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等都較普通粒子發生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應。納米粒子的以下幾個方面效應及其多方面的應用均基於它的體積效應。例如，納米粒子的熔點可遠低於塊狀本體，此特性為粉粉冶金工業提供了新工藝；利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質，可以改變顆粒尺寸，控制吸收的位移，製造具有一種頻寬的微波吸收納米材料，用於電磁屏蔽，隱形飛機等。

表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。表9-2給出了納米粒子尺寸與表面原子數的關係。

表1 納米粒子尺寸與表面原子數的關係

從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子數迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。這主要是粒徑越小，處於表面的原子數越多。表面原子的晶體場環境和結合能與內部原子不同。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質，易於其他原子想結合而穩定下來，因而表現出很大的化學和催化活性。

粒子尺寸下降到一定值時，費米能級接近的電子能級由准連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。Kubo採用一電子模型求得金屬超微粒子的能級間距為：4Ef/3N

式中Ef為費米勢能，N為微粒中的原子數。宏觀物體的N趨向於無限大，因此能級間距趨向於零。納米粒子因為原子數有限，N值較小，導致有一定的值，即能級間距發生分裂。半導體納米粒子的電子態由體相材料的連續能帶隨著尺寸的減小過渡到具有分立結構的能級，表現在吸收光譜上就是從沒有結構的寬吸收帶過渡到具有結構的吸收特性。在納米粒子中處於分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子一系列特性，如高的光學非線性，特異的催化和光催化性質等。

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘產生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應。用此概念可定性解釋超細鎳微粒在低溫下保持超順磁性等。

納米粒子的介電限域效應較少不被注意到。實際樣品中，粒子被空氣﹑聚合物﹑玻璃和溶劑等介質所包圍，而這些介質的折射率通常比無機半導體低。光照射時，由於折射率不同產生了界面，鄰近納米半導體表面的區域﹑納米半導體表面甚至納米粒子內部的場強比輻射光的光強增大了。這種局部的場強效應，對半導體納米粒子的光物理及非線性光學特性有直接的影響。對於無機-有機雜化材料以及用於多相反應體系中光催化材料，介電限域效應對反應過程和動力學有重要影響

上述的小尺寸效應﹑表面效應﹑量子尺寸效應﹑宏觀量子隧道效應和介電限域應都是納米微粒和納米固體的基本特徵，這一系列效應導致了納米材料在熔點﹑蒸氣壓﹑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性能。它使納米微粒和納米固體呈現許多奇異的物理﹑化學性質。

納米技術基礎理論研究和新材料開發等應用研究都得到了快速的發展，並且在傳統材料、醫療器材、電子設備、塗料等行業得到了廣泛的應用。在產業化發展方面，除了納米粉體材料在美國、日本、中國等少數幾個國家初步實現規模生產外，納米生物材料、納米電子器件材料、納米醫療診斷材料等產品仍處於開發研製階段。2010年全球納米新材料市場規模達22.3億美元，年增長率為14.8%。今後幾年，隨著各國對納米技術應用研究投入的加大，納米新材料產業化進程將大大加快，市場規模將有放量增長。納米粉體材料中的納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米氧化硅等幾個產品已形成一定的市場規模；納米粉體應用廣泛的納米陶瓷材料、納米紡織材料、納米改性塗料等材料也已開發成功，並初步實現了產業化生產，納米粉體顆粒在醫療診斷製劑、微電子領域的應用正加緊由實驗研究成果向產品產業化生產方向轉移。

澳大利亞科學家研製出一種由氧化鉬晶體製成的新型二維納米材料，有可能給電子工業帶來革命，使“納米”一詞不再停留於營銷概念而成為現實。在材料學中，厚度為納米量級的晶體薄膜通常被視作二維的，即只有長寬，厚度可忽略不計，稱為二維納米材料。新研製出的這種材料厚度僅有11納米，它有著獨特的性質，電子在其內部能以極高速度運動。科學家說，他們是從另一種奇妙的新材料——石墨烯得到啟發的。石墨烯是單層碳原子網，是人類已知的最薄材料，電子在其中也能高速運動。但石墨烯缺乏能隙，用它製造的晶體管無法實現電流開關。氧化鉬材料本身擁有能隙，將它製成類似石墨烯的薄片后，既支持電子高速運動，其半導體特性又適合製造晶體管。

科學家說，在新材料內部，電子極少因為遇到“路障”而散射，可以流暢地迅速運動。利用這種新材料可研製出更小、數據傳輸速度更快的電子元件和產品，例如性能與台式電腦相當的平板電腦。