Bề mặt silica nhẵn và có diện tích lớn, do đó khả năng tiếp xúc vật lý với polyme nền lớn. Silica có thể tồn tại ở nhiều dạng, mỗi dạng thể hiện tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Silica không thể hút nước nếu bề mặt của
nó có các nhóm siloxan ( - Si - O - Si ), khả năng hút nước của nó chỉ thể hiện khi bề mặt của các nhóm silanol ( Si - OH ). Sự có mặt của 2 nhóm này ảnh hưởng tới tính chất của bề mặt silica và ứng dụng của nó.
Silica kị nước có thể được chuyển thành silica ưa nước bằng phản ứng hydroxyl hóa nhóm siloxan thành silanol. Phản ứng này có thể làm ngược lại, silica ưa nước có thể chuyển thành silica kị nước bằng phản ứng đề hydroxyl hóa… hoặc đun nóng ở nhiệt độ >300oC.
Bề mặt của silica trung bình có 5-6 nhóm silanol trên 1nm2 nên nó có tính ưa nước, các nhóm siloxan còn lại không tham gia phản ứng. Cấu trúc của nanosilica là mạng 3 chiều. Do có nhóm silanol và siloxan trên bề mặt nên các hạt silica có khả năng hút nước. Bề mặt silica được đặc trưng bởi 3 dạng: silanol tự do, silanol liên kết hidro với nhóm bên cạnh và silanol ghép đôi. Các nhóm silica trên các phần tử kề nhau tập hợp lại với nhau bằng liên kết hidro. Liên kết này giúp cho các phần tử silica tập hợp lại với nhau ngay cả khi bị pha trộn mạnh dù cho không có phản ứng với polyme nền.
Các nhóm silanol hoạt động trên bề mặt silica có nhiệm vụ kết tụ các phần tử lại với nhau. Ban đầu, các hạt silica ghép đôi với nhau nhờ liên kết hidro để tạo thành dạng kết tụ bậc 1 và sau đó, chúng tiếp tục kết tụ với nhau bền chặt hơn để tạo thành dạng kết tụ bậc 2. Khuynh hướng kết tụ của các phần tử silica có thể được minh họa như sau:
Chính tính ưa nước của các nhóm silinol trên bề mặt silica là nhược điểm làm hạn chế khả năng sử dụng của silica, do đó cần biến tính silica. Trong quá trình biến tính, nhóm silanol phản ứng với nhóm thế của tác nhân biến tính, làm tăng khối lượng của silica. Do đó xảy ra sự phân hủy dạng kết tụ và xuất hiện dạng đơn của các hạt silica trong silica biến tính:
Phản ứng của các nhóm silanol trên bề mặt silica với các hợp chất hữu cơ đã làm giảm hoặc làm mất đi khả năng hút nước của silica và làm tăng số lượng các nhóm thế hữu cơ có ái lực lớn với hợp chất hữu cơ trên bề mặt silica. Nhờ có các nhóm silanol nên bề mặt của silica có thể phản ứng với hợp chất silan, halogen, của các kim loại hoăc phi kim, rượu, các chất có hoạt tính bề mặt,… Sau khi biến tính, mức độ phân tán của nanosilica trong pha hữu
cơ, sự bám dính giữa nanosilica và các phần tử hữu cơ tăng lên, do đó độ bền của các sản phẩm polyme (cao su, chất dẻo,…) được tăng lên đáng kể.