纳米材料的特殊结构使它产生出四大效应:小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理化学特性。

表面效应: 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比.随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加.例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加，从而使这些表面原子具有高的活性极不稳定。这些表面原子一遇到其它原子很快结合使其稳定化，这就是活性的原因。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

量子效应:  大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料之间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。例如导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化等等。

小尺寸效应:  随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显著增加。与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降。例如2nm的金颗粒熔点为600K，随着粒径增加熔点迅速上升，块状金为1337K。还有，小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别。

界面效应:  纳米材料具有非常大的界面。界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应。研究表明：人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。