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1.1 纳米材料概述
纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米，大约是三、四个原子的宽度。纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有比表面积大的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米材料具有三个共同的结构特点：（1）纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100纳米)；（2）存在大量的界面或自由界面或自由表面；（3）各纳米单元之间存在着或强或弱的互相作用。纳米材料这些结构特点导致了它具有如下四个方面的效应并由此派生出传统固体所不具有的许多特殊性。
(1) 体积效应：由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小，因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质加以说明了，这种特殊的现象通常称为体积效应。它表现为：当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都会较普通粒子发生很大的变化。
(2) 表面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大所引起的性质的变化。表1-1给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系：
表1-1粒径与表面原子数的比例
粒径（nm） 20 10 5 2 1
包含原子数（个） 2.5×105 2.5×104 2.5×103 2.5×102 30
表面原子所占比例（%） 10 20 40 80 99
表1-1说明由于粒径越小，表面的原子数越多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，因而随着粒径减小，表面原子数迅速增加，另外，随着粒径的减小，纳米粒子的表面积、表面能及表面活性能迅速增大。表面原子周围缺少相邻的原子，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化，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种表面原子的增多，其表面能增加。
纳米颗粒的表面效应要从如下方面对物质性质产生影响：表面能增加，提供众多的表面反应活性中心。这种大的比表面积和表面配位不足，使得它与相同材料的大块材料相比具有较强的吸附。吸附分为两类，一类是物理吸附，即吸附剂与吸附相之间是是以范德华之类较弱的物理力结合；另一类是化学吸附，即吸附剂与吸附相之间是以强化学键结合。弱的物理吸附很容易脱落，强的化学吸附不容易脱落。
(3) 量子尺寸效应：粒子尺寸下降到接近或小于某一定值时(激子波尔半径)，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级，并且纳米粒子存在不连续的最高被占据分子轨道能级和最低未被占据分子轨道能级，使得间隙变宽，这种现象称为量子尺寸效应。当晶体的尺寸很小，与电子或空穴的德布罗意波长相当时，载流了的运动被局限在一个小小的晶格范围内，类似于盒子中的粒子，是一种新的物质运动状态，有别于分子、原子的运动状态。相对于块状固体中大晶体内的电子而言，在这种局限运动状态中，电子的动能增加，原本连续的导带和价带发生能级分裂、能隙变宽，使颗粒的发射能级增加，光学吸收发生红移。量子尺寸效应不仅引起纳米颗粒的光学性质发生变化，而目其电学性质也有明显的差别。随着纳米颗粒粒径的减小，有效带隙增大。量子尺寸效应带来的能级改变，能隙变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收发生红移。其表现为光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子共振频移颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一点频宽的波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽，隐形飞机等。