表面与界面效应的主要原因是由于纳米微粒的直径减小，导致表面原子的数量增多。当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，小尺寸效应就会显现出来。小尺寸效应破坏了纳米微粒的周期性边界，从而导致了声、光、电、磁以及热力学等性能呈现出新奇的现象。
当粒子的尺寸达到纳米量级时，量子尺寸效应也会发生。在这种情况下，费米能级附近的电子能级会从连续态分裂成分立能级。如果能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能，纳米材料就会表现出量子效应，从而改变了其磁、光、声、热、电以及超导电性能。
此外，宏观量子隧道效应也是纳米粒子的一个重要特性。微观粒子具有穿过势垒的能力，这被称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也受到隧道效应的影响，它们可以穿越宏观系统的势垒并产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
