Một đặc điểm vô cùng quan trọng của vật liệu nano là kích thƣớc chỉ ở cấp độ nano mét (nm). Chính vì vậy mà tổng số nguyên tử phân bố trên bề mặt vật liệu nano và tổng diện tích bề mặt của bề mặt của vật liệu lớn hơn rất nhiều so với vật liệu thông thƣờng. Điều này đã làm xuất hiện ở vật liệu nano nhiều đặc tính dị thƣờng, đặc biệt là khả năng xúc tác hấp phụ. Với kích thƣớc nhỏ ở cấp độ phân tử, vật liệu nano xuất hiện ba hiệu ứng chính : hiệu ứng lƣợng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thƣớc.
a. Hiệu ứng lượng tử [16]
Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lƣợng tử đƣợc trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1µm3 có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua những khác biệt ngẫu nhiên của từng nguyên tử mà chỉ xét giá trị trung bình của chúng. Nhƣng đối với vật liệu có cấu trúc nano, do kích thƣớc của vật liệu nhỏ, hệ có rất nhiều nguyên tử thì các tính chất lƣợng tử thể hiện rõ ràng hơn và không thể bỏ qua. Ví dụ một chấm lƣợng tử có thể đƣợc coi nhƣ một đại nguyên tử, nó có các mức năng lƣợng giống nhƣ một nguyên tử.
b. Hiệu ứng bề mặt [16]
Khi vật liệu có kích thƣớc nm, tỷ số các nguyên tử nằm trên bề mặt trên tổng số các nguyên tử của vật liệu sẽ chiếm tỉ lệ lớn hơn nhiều so với các vật liệu dạng khối. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt nhƣ: khả năng hấp phụ, độ hoạt động bề mặt…..của vật liệu nano sẽ lớn hơn nhiều. Điều đó mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực xúc tác, hấp phụ và nhiều hiệu ứng khác mà các nhà khoa học đang quan tâm, nghiên cứu.
Luận văn Thạc sĩ khoa học 40 c. Hiệu ứng kích thước [16]
Các vật liệu truyền thống thƣờng đƣợc đặc trƣng bởi một số các đại lƣợng vật lý, hóa học không đổi nhƣ độ dẫn điện của kim loại, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tính axit….Tuy nhiên, các đại lƣợng vật lý và hóa học này chỉ bất biến nếu kích thƣớc của vật liệu đủ lớn (thƣờng là lớn hơn 100nm). Khi giảm kích thƣớc của vật liệu xuống cấp độ nano mét (nhỏ hơn 100nm) thì các đại lƣợng lý, hóa ở trên không còn là bất biến nữa, ngƣợc lại chúng sẽ thay đổi. Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng kích thƣớc. Kích thƣớc mà ở đó vật liệu bắt đầu có sự thay đổi các tính chất đƣợc gọi là kích thƣớc tới hạn. Ví dụ nhƣ: Điện trở của một kim loại ở kích thƣớc vĩ mô mà ta thấy hằng ngày sẽ tuân theo định luật Ohm. Nếu ta giảm kích thƣớc của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của điện tử trong kim loại (thƣờng là vài nm đến vài trăm nm) thì định luật Ohm sẽ không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật liệu có kích thƣớc nano sẽ tuân theo quy tắc lƣợng tử.
Các nghiên cứu cho thấy các tính chất điện, từ, quang, hóa học….của các vật liệu đều có kích thƣớc tới hạn trong khoảng từ 1nm đến 100nm, nên ở vật liệu nano các tính chất này đều có biểu hiện khác thƣờng so với vật liệu truyền thống.