Proprietà su scala nanometrica

Le proprietà dei materiali su scala nanometrica sono diverse in molti casi dalle proprietà dei materiali osservati su altre scale di lunghezza.

Consideriamo, ad esempio, il punto di fusione dei metalli. Le nanoparticelle spesso presentano un punto di fusione inferiore rispetto ai corrispondenti metalli sfusi e questi punti di fusione dipendono dalle dimensioni. Ad esempio, l'oro sfuso si scioglie a 1064 gradi Celsius, ma una particella d'oro di 4 nm si scioglie a circa 850 gradi Celsius.

Nei semiconduttori come il silicio, il gap di banda cambia con la dimensione delle particelle. IL gap di banda è l'energia necessaria per spostare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questa caratteristica influisce sulle proprietà elettriche e ottiche di vari semiconduttori (come silicio, germanio e arseniuro di gallio) e influisce sul luogo in cui questi materiali vengono utilizzati. Le bande proibite di questi tre materiali sono rispettivamente 1,12, 0,67 e 1,42 elettronvolt (eV) in forma sfusa. Gli studi dimostrano che il gap di banda aumenta quando questi materiali sono realizzati sotto forma di nanofili o nanoparticelle. (Un nanofilo è una struttura simile a un filo con diametro dell'ordine dei nanometri). Ad esempio, un nanofilo di silicio con diametro di 1,3 nm ha un intervallo di banda molto ampio di 3,5 eV.

Il colore di un materiale può dipendere anche dalla dimensione. L'aspetto del colore è causato dall'assorbimento parziale della luce principalmente da parte degli elettroni in quel materiale; la luce che non viene assorbita rimane visibile.

Su molte superfici metalliche lisce, la luce viene riflessa dall'altissima densità di elettroni di conduzione in questi materiali; per questo motivo le superfici delle lastre metalliche possono avere un aspetto speculare. Al contrario, le piccole particelle assorbono parte della luce determinando la comparsa del colore. Questa proprietà dipende dalla dimensione delle nanoparticelle.

I nanosistemi non sono abbastanza grandi da poter applicare molte leggi classiche della fisica. Ad esempio, la legge di Ohm, che descrive la relazione tra corrente e tensione in un conduttore, non descrive la conduzione di corrente attraverso un minuscolo nanofilo. Qui altri effetti, noti come effetti quantomeccanici diventare importante.