عادة ما تظهر المواد النانوية ذات الطاقة السطحية العالية تفاعلية عالية، والتي تكون مسؤولة أيضا عن ضعف استقرارها. يمكن أن تتحلل بسهولة أو تتأكسد مع التعرض للبيئة. يختلف التركيب الإلكتروني للمادة النانوية وعدد ذرات السطح اختلافًا كبيرًا عن المواد الأولية، والتي تعد مسؤولة بشكل أساسي عن التفاعل العالي للمواد النانوية. لطالما اعتبرت المواد النانوية محفزات غير متجانسة واعدة، نظرًا لارتفاع نسبة سطحها إلى الحجم وإمكانية تعظيم الجوانب النشطة من خلال التلاعب بمورفولوجيا البلورات النانوية البلورة النانوية الصغيرة التي يبلغ قطرها 1 نانومتر ستحتوي على 100% من ذراتها على السطح، بينما البلورة النانوية بقطر 10 نانومتر سيكون لديها 15% فقط من ذراته على السطح. وبالتالي فإن البلورة النانوية الصغيرة ذات مساحة السطح الكبيرة تمتلك منطقة تفاعل متزايدة، في حين أن نصف القطر الصغير يقلل من انتشار الحاجز. هذه الظواهر المميزة على المقياس النانوي تؤدي إلى تحول كيميائي في الخواص الحركية وتسمح بحدوث العديد من التحولات الكيميائية في ظل ظروف معتدلة، وهو أمر غير ممكن للمواد السائبة. علاوة على ذلك، فإن التغيير النوعي في البنية الإلكترونية الناشئ عن الحبس الكمي والذرات السطحية غير المشبعة في الجسيمات النانوية مسؤول أيضا عن الخصائص التحفيزية غير العادية على هذه الجسيمات، والتي تختلف تمامًا عن تلك الخاصة بالمعادن السائبة. عادة ما تظهر الذرات في أي مادة اثنين بيئات الترابط المختلفة الذرات الداخلية المشبعة وذرات السطح غير المشبعة. تختلف عن الذرات الداخلية المشبعة، تترك ذرات السطح غير المشبعة بعض الروابط الكيميائية "متدلية من الخارج، أي روابط متدلية. تحتوي الجسيمات النانوية بشكل عام على عدد كبير من الذرات السطحية، مما يؤدي إلى زيادة عدد ذرات السطح غير المشبعة. هذه الزيادة يمكن أن تعزز بشكل كبير كثافة الروابط المتدلية على أسطح الجسيمات النانوية وبالتالي تزيد من طاقة السطح تحدد طاقة السطح كيفية تفاعل السطح مع البيئة الخارجية. السطح الذي يحتوي على طاقة أعلى يكون أكثر تفاعلا لأنه سيحاول تقليل طاقته من خلال التفاعل مع المواد المناسبة من البيئة الخارجية. ومن ثم، فإن ذرات السطح غير المشبعة تظهر عادة تفاعلية أعلى من الذرات المشبعة بسبب ارتفاع طاقة السطح المشتقة من بيئات الترابط غير المكتملة. مع انخفاض المواد، تزداد مساحة السطح الإجمالية بشكل كبير، جنبا إلى جنب مع عدد ذرات السطح غير المشبعة ذات التفاعل العالي. علاوة على ذلك، هذه تُظهر ذرات السطح غير المشبعة هياكل إلكترونية محلية منفصلة عن بنية النطاق الداخلية. وبالتالي، توجد فجوة طاقة بين نطاقي التكافؤ والتوصيل بعرض محدد اعتمادًا على العدد المتاح من التكافؤ الإلكترونات في الجسم النانوي. نظرًا لأن التفاعلات التحفيزية تحدث عادةً في درجات حرارة مرتفعة، فإن تأثير فجوة النطاق هذا له تأثير كبير على زيادة تفاعل الجسيمات النانوية من خلال الإثارة الإلكترونية الجماعية الأكبر التي تتجاوز الحالات الأرضية المتوسطة بالإضافة إلى ذلك، قد ينتج عن العديد من العيوب البلورية الموجودة في سطح الجسيمات النانوية ترتيبات غير منتظمة للذرات أو الجزيئات على السطح البلوري مما قد يؤدي إلى إنشاء بيئة ارتباط غير كاملة للذرات حول العيوب، وبالتالي تغيير تفاعل هذه الذرات عادة ما يتحكم العدد الإجمالي للعيوب ودرجة تجميع العيوب في بيئة الترابط غير المكتملة هذه لمناقشة العلاقة بين التفاعل والعيوب، يمكن أخذ عيوب الشواغر كمثال عندما تكون الذرة مفقودة من الصفيف البلوري العادي، يحدث خلل في الفراغ وينتج عنه عدم تشبع الذرات المجاورة. كما هو مبين في الشكل (23.1)، يقل تشبع الذرات حول عيوب الشغور مع زيادة عدد العيوب ودرجة تجميعها مقارنة بالنسبة للذرات العادية في مجموعة بلورية، فإن هذه الذرات غير المشبعة الناتجة عن عيوب الشغور قد تظهر تفاعلية أعلى بسبب ارتفاع طاقة السطح المرتفعة من بيئة الترابط غير المكتملة. وبالتالي، بالنسبة للجسيمات النانوية، فإن بعض العيوب هي أيضا عامل رئيسي يحدد تفاعلها.

الشكل(23.1) رسم تخطيطي للروابط المتدلية وعيوب الشغور على سطح بلوري