20世紀90年代，以前人們從未探索過的納米物質（Nanostructured materials）一躍成為科學家十分關注的研究對象。新奇的納米材料剛剛誕生才幾年，以其所具有的獨特性和新的規(guī)律，如材料尺度上的超細微化而產生的表面效應、體積效應、量子尺寸效應、量子隧道效應等及由這些效應所引起的諸多奇特性能，已引起世界各國科技界及各國政要的高度重視，使這一領域成為跨世界材料科學研究領域的"熱點"。1999年12月14日，美國總統(tǒng)科學和技術顧問委員會（PCAST）致函克林頓，極力推薦美國國家科學和技術委員會（NSTC）的提議，即從2001年度財政預算中開始實施"國家納米技術推進計劃"（National Nanotechnology Initiative--NNI）,引起克林頓的高度重視。2000年1月2日，克林頓簽發(fā)執(zhí)行令，決定將NNI列為美國科技領域最優(yōu)先發(fā)展的計劃，并在2000年度財政預案中專為此項計劃追加2.25億美元，與2000年度相比增加了84%。美國政府這一舉措引起了世界范圍的廣泛關注，新一輪科技競爭已經(jīng)在或明或暗的氣氛中形成，納米或納米技術背后隱藏著的巨大商機開始顯現(xiàn)，有資料表明，1999年全球納米技術的生產值達500億美元，預計到2010年將達到14400億美元。
1、納米和納米材料
納米是一種長度的量度單位，1納米（nm）等于10-9米，1nm的長度大約為4到5個原子排列起來的長度，或者說1nm相當于頭發(fā)絲直徑的10萬分之一。在英語里納米用nano表示，NANO一詞源自拉丁前綴，矮小之意。
納米結構（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小結構。
納米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是納米級結構材料的簡稱。狹指由納米顆粒構成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米，在通常情況下不超過10納米；從廣義上說，納米材料，是指微觀結構至少在一維方向上受納米尺度（1～100nm）限制的各種固體超細材料，它包括零維的原子團簇（幾十個原子的聚集體）和納米微粒；一維納米纖維；二維納米微粒膜（涂層）及三維納米材料。
納米科學（nano scale science），是指研究納米尺寸范圍在0.1-100nm之內的物質所具有的物理、化學性質和功能的科學。
納米技術（nano scale technology）是指在納米結構水平上對物質和材料進行研究處理的技術。納米技術其實是一種用單個原子、分子制造物質的科學技術。它以納米科學為理論基礎，進行制造新材料、新器件，研究新工藝的方法。它被公認為21世紀最具有前途的科研領域。納米技術的廣義范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于材料生產（超微粉、鍍膜等），性能檢測技術（化學組成、微結構、表面形態(tài)、物化、電、磁、熱及化學等性能）。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。
納米科學技術的最終目的是人類能夠按照自己的意志直接、自如操縱單個原子、制造具有特定功能的產品。
2、納米材料的結構
材料學研究認為：材料的結構決定材料的性能，同時材料的性能反映材料的結構。納米材料也同樣如此。
對于納米材料，其特性既不同于原子，又不同于結晶體，可以說它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學性質與塊體材料有明顯的差異。
納米材料的結構特點是：納米尺度結構單元，大量的界面或自由表面，以及結構單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結構上，大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想單晶，也有呈現(xiàn)非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。納米材料的結構上存在兩種結構單元；即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成，這些原子嚴格地位于晶格位置；界面單元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉化而來。
納米材料由于非常小，使納米材料的幾何特點之一是比表面積（單位質量材料的表面積）很大，一般在102～104m2/g。它的另一個特點是組成納米材料的單元表面上的原子個數(shù)與單元中所有原子個數(shù)相差不大。例如：一個由5個原子組成的正方體納米顆粒，總共有原子個數(shù)53=125個，而表面上就有約89個原子，占了納米顆粒材料整體原子個數(shù)的71%以上。這些特點完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面積在10m2/g以下，其表面原子的個數(shù)與組成單元的整體原子個數(shù)相比較完全可以忽略不計。
由于以上納米材料的兩上顯著不同于普通材料的幾何特點，從物理學的觀點來看，就使得納米材料有兩個不同于普通材料的物理效應表現(xiàn)出來，這是一個由量變到質變的過程。一個效應我們稱之為量子尺寸效應，另一個被稱之為表面效應。量子尺寸效應是由于材料的維度不斷縮小時，描述它的物理規(guī)律完全不同于宏觀（普通材料）的規(guī)律，不但要用描述微觀領域的量子力學來描述，同時要考慮到有限邊界的實際問題。關于量子尺寸效應處理物理問題，到目前為止，還沒有一個較為成熟的適用方法。表面效應是由于納米材料表面的原子個數(shù)不可忽略，而表面上的原子又反受到來自體內一側原子的作用，因此它很容易與外界的物質發(fā)生反應，也就是說它們十分活潑。
納米材料由于這兩上特殊效應的存在，使得它們的物理、化學性質完全不同于普通材料。目前許多實驗和應用結果已經(jīng)證實，納米材料的熔點、磁性、電容性、發(fā)光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如，將金屬銅或鉛做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸；用碳納米管做成的超級電容器，其體積比電容達到600F/cm3，這在同樣體積下電容量為傳統(tǒng)電容的幾百倍；碳納米管的強度比鋼強100倍……。基于這些令人興奮的實驗結果，我們完全可以預感到，納米材料的實際應用一定能夠大量地滿足人們用普通材料不能達到的要求，提高人們的生活質量，大大促進社會的進步。
3、納米材料的性能
運用納米技術，將物質加工到一百納米以下尺寸時，由于它的尺寸已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、化學、導熱、導電特性等等，往往產生既不同于微觀原子、分子，也不同于該物質在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的宏觀性質，也即納米材料表現(xiàn)出物質的超常規(guī)特性。
3.1 納米材料的特性（四個效應）
當物質尺寸度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統(tǒng)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?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有109倍之巨，所以二者行為上將產生明顯的差異。
當小顆粒進入納米級時，其本身和由它構成的納米固體主要有如下四個方面的效應。
3.1.1 體積效應（小尺寸效應）
當粒徑減小到一定值時，納米材料的許多物性都與顆粒尺寸有敏感的依賴關系，表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應或量子尺寸效應。例如，對于粗晶狀態(tài)下難以發(fā)光的半導體Si、Ge等，當其粒徑減小到納米量級時會表現(xiàn)出明顯的可見光發(fā)光現(xiàn)象，并且隨著粒徑的進一步減小，發(fā)光強度逐漸增強，發(fā)光光譜逐漸藍移。又如，在納米磁性材料中，隨著晶粒尺寸的減小，樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生本質的變化，粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當顆粒尺寸小于某一臨界值時可以轉變?yōu)槌槾艩顟B(tài)，當金屬顆粒減小到納米量級時，電導率已降得非常低，這時原來的良導體實際上會轉變成絕緣體。這種現(xiàn)象稱為尺寸誘導的金屬--絕緣體轉變。
3.1.2 表面與界面效應
粒子的尺寸越小，表面積越大。納米材料中位于表面的原子占相當大的比例，隨著粒徑的減小，引起表面原子數(shù)迅速增加。如粒徑為10nm時，比表面積為90m2/g；粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g；粒徑小到2nm時，比表面積猛增到450m2/g。這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，使其表面能、表面結合能迅速增加致使它表現(xiàn)出很高的粒子化學性。利用納米材料的這一特性可制得具有高的催化活性和產物選擇性的催化劑。
納米材料的許多物性主要是由表（界）面決定的。例如，納米材料具有非常高的擴散系數(shù)。如納米固體Cu中的自擴散系數(shù)比晶格擴散系數(shù)高14～20個數(shù)量級，也比傳統(tǒng)的雙晶晶界中的擴散系數(shù)高2～4個數(shù)量級。這樣高的擴散系數(shù)主要應歸因于納米材料中存在的大量界面。從結構上來說，納米晶界的原子密度很低，大量的界面為原子擴散提供了高密度的短程快擴散。普通陶瓷只有在1000℃以上，應變速率小于10-4/s時才能表現(xiàn)出塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就可以發(fā)生塑性變形。
