اولین موج توجه محققان به این علم در دهه ۱۹۵۰ با سخنرانی فیزیکدان بسیار معروفی به نام «ریچارد فاینمن» شروع شد. او طی سخنرانی خود با عنوان «در پایین‌دست فضای زیادی وجود دارد» پیش‌بینی‌های قابل توجهی مطرح کرد که در قرن ۲۱ بسیاری از آنها محقق شده است.
به منظور درک اهمیت نظم اتمی در خواص محصول نهایی، به مثال ساده زیر توجه کنید. درخت عمدتا از عناصر هیدروژن، اکسیژن، کربن، نیتروژن، پتاسیم، کلسیم، فسفر، منیزیم، گوگرد، سدیم، سیلیسیوم، آهن، بور، استرونتیوم، آلومینیم، منگنز، مس، تیتانیوم، نیکل، وانادیم، کروم، زیکونیوم، مولیبدن، قلع، روی، کلر، کبالت، باریم، نقره و بیسموت ساخته شده است (منبع). همان‌طور که مشاهده کردید بسیاری از این عناصر فلز هستند، در نتیجه اگر این عناصر مرتب کنار هم قرار گیرند، تنه درخت‌ها سخت‌تر و مقاومت‌تر از تیر آهن فولادی خواهد شد.
آرمان صنعتی فناوری نانو دست یافتن به محصولات ارزان و بادوام است. برای مثال تولید پردازنده‌های کامپیوتر و موبایل ارزان‌قیمت و قوی‌تر، تولید صفحه‌های لمسی ارزان مقاوم در برابر خش و ضربه، تولید شیشه‌های اتومبیل ضد لک و مقاومت در برابر برخورد اجسام و هزاران محصول دیگر از دستاورهای فناوری نانو هستند.
به همین دلیل از دیدگاه صنعتی فناوری نانو یک علم منفرد نیست بلکه رویکردی جدید به تولید و کشف محصولات است. طبیعت اولین مخترع دنیای نانومتری است. برای مثال فرایند رشد و تکثیر سلول‌های موجودات زنده نمونه‌ای از فناوری نانومتری است. تفاوت گرافیت و الماس فقط در نظم و شکل آرایش اتمهای آنهاست. هر دو فقط از عنصر کربن تشکیل شده‌اند اما یکی نرم و تیره است و دیگری سخت و شفاف. بنابراین نظم اتم‌ها نه تنها در دوام محصول نهایی تأثیر گذار است بلکه رنگ و خواص آنرا به کل دگرگون می‌کند.
یکی از رویکردهای صنعتی فناوری نانو مرتب کردن اتمهای محصولات فعلی است. در این حالت به محصولات جدید با خواصی کاملاً متفاوت دست خواهیم یافت. برای مثال تولید پردازنده‌های کامپیوتر جدید که در‌واقع اساس آنها مرتبط کردن اتم‌ها و تولید کلید‌های کوچوکتر است. به منظور درک اهمیت این رویکرد از یک مثال ساده استفاده می‌کنیم، اگر در ۱ نانو متر ۱۰۰ اتم داشته باشیم. در یک مکعب ۱ نانومتری ۱۰۰ در ۱۰۰ در ۱۰۰ اتم یا معادل ۱۰۰۰۰۰۰ اتم داریم. این اتم‌ها را می‌توان شکل‌های مختلف کنار هم قرار دارد و محصولی جدید با خواص منحصر به فرد تولید کرد.
به طور کلی دو روش برای تولید مواد نانو متری وجود دارد:
روش بالا به پایین: در این روش با کاهش ابعاد اجسام از چند میکرومتر به چند نانومتر می‌رسیم. این روش دامنه وسیعی دارد و فعال‌ترین حوزه صنعت نانو است. تولید محصولات تجاری جدید همگی با این روش هستند.
روش پایین به بالا: در این روش با چالش چیدن اتم‌ها و مولکول‌ها رو به رو هستیم. این حوزه نیاز به فناوری بسیار بالایی دارد. تولید بلورهای فوق ایده‌آل و سلول‌های زنده فعال‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی این روش هستند. تشکیل بلور برف در طبیعت نمونه‌ای از روش پایین به بالا است.
نانو ذره
نانو ذره به ماده‌ای پودری شکل گفته می‌شود که میانگین اندازه ذرات آن بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. نانو ذرات نقره، طلا، اکسید روی و اکسید مس نمونه‌ای نانو ذرات پر کاربرد هستند. با افزودن نانو ذرات ویژه‌ای به بتن می‌توان ساختمان‌ها را در برابر پرتو UV و سایر تابش‌های سرطان‌زا مقاوم کرد.نانو پوشش‌ها
در صنعت یک لایه نازک برای مقاوم کردن قطعات روی محصول نهایی کشیده می‌شود. گاهی این لایه آنقدر نازک است که به صورت مایع اسپری شده و طی مراحل بعدی سخت می‌شود. برای مثال لایه ضد خَش روی صفحه نمایش تلفن‌های هوشمند نمونه‌ای از این لایه‌هاست. پوشش‌های ضد میکروب نمونه‌ای دیگر هستند که برای کاهش پایداری و گسترش میکروب‌ها، ویروس‌ها، باکتری‌ها و قارچ‌ها روی بدنه داخلی یخچال اسپری می‌شوند. یا به عنوان مثالی دیگر شرکت ساعت‌سازی رادو (Rado) به کمک فناوری نانو پوششی بسیار مقاوم در برابر اصطکاک و خوردگی شیمیایی تولید کرده و ساعت‌ها را با آن می‌پوشاند. شرکت اتومبیل‌سازی بنز بدنه خودروهای خود را با پوششی نانومتری ضد خش کرده است. از ترکیب دی اکسید وانادیوم با حدود ۲ درصد تنگستن محلولی برای پوشاندن نانومتری شیشه‌ها حاصل می‌شود که نور مرئی را عبور می‌دهد اما حرارت را منعکس می‌کند.نانو بلور (نانو کریستال)
در حالت ایده‌آل اتمهای یک قطعه بلور، منظم در یک آرایه ۳ بعدی کنار هم قرار گرفته‌اند. تولید بلور ایده‌آل در ابعاد چند میلی‌متر مکعب بسیار دشوار است و در اکثر بلورها هر چند میکرومتر مسیر آرایه تغییر می‌کند. چنین بلورهایی، چند بلوری (پلی‌کریستال) نامیده می‌شود. برای مثال اگر یک دانه نمک را زیر میکروسکوپ قرار دهیم، مشاهده می‌کنیم که هر چند میکرومتر مسیر بلور آن تغییر کرده. پلی‌کریستالی که ابعاد بلورهای آن در حد چند نانومتر است، «نانو بلور» نامیده می‌شود. نانو ساختارهای مغناطیسی
استحکام مکانیکی بالا، نفوذ پذیری بالا، اتلاف مغناطیسی بسیار کم، حفظ خواص اولیه در تنش‌های مکانیکی شامل ارتعاشات، اتلاف انرژی بسیار کم در فرکانس‌های مختلف، تغییر شکل کم در میدان مغناطیسی و پایداری خواص در دماهای بالا و پایین از خصوصیات نانو ساختاری مغناطیسی هستند. به کمک نانو ساختاری مغناطیسی می‌توان مواد را در داخل بدن کنترل کرد و به منطقه مورد نظر رساند.نانو کامپوزیت‌ها
کامپوزیت (چندسازه) ماده‌ای است که از ترکیب حداقل دو ماده تشکیل شده است. در مراحل ساخت کامپوزیت مواد اولیه واکنش شیمیایی نمی‌دهند و تنها کنار هم قرار دارند. برای مثال آجر کاهگل یک کامپوزیت است. کاه ماده انعطاف پذیر و گِل خشک شده شکننده است، در حالی که کامپوزیت کاهگل، سخت و مقاوم است. برای ساخت بدنه هواپیما، خودرو و بسیار دیگر از وسایل از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. اگر حداقل یکی از اجزاء اولیه کامپوزیت نانومتری باشد، محصول «نانو کامپوزیت» نامیده می‌شود. نانو کامپوزیت‌های فلزی، سرامیکی و پلیمری از مهم‌ترین نانو کامپوزیت‌ها هستند. خصوصیت اصلی نانو کامپوزیت‌ها نسبت بالای استحکام به وزن است. برای مثال شرکت تویوتا به کمک نانو کامپوزیت‌های بر پایه خاک‌رس موفقیت به ساخت قطعاتی شده است که ۴۰ درصد سبک‌تر از قبل هستند.نانو کپسول‌ها
کپسول به هر پوسته‌ای گفته می‌شود که فضای خالی داخل آن محفوظ است. بنابراین پوشش روی یک ذره کپسول آن نیست. اگر قطر کپسولی نانومتری باشد آنرا «نانو کپوسل» می‌نامیم. صنایع مختلف از جمله داروسازی، صنایع تولید سموم کشاورزی و مواد شیمیایی از نانو کپسول‌ها برای ذخیره‌سازی مواد استفاده می‌کنند. با تغییر جنس کپسول می‌توان حلالیت، دوام، شدت نفوض و بسیار خواص دیگر را مهار کرد. برای مثال با هماهنگ کردن جنس کپسول با بدن می‌توان مواد خطرناک مانند داروهای درمان سرطان را وارد بدن کرد و پس از انتقال به محل مورد نظر رها کرد. افزایش زمان پایداری دارو و کاهش دوره‌ی مصرف از دیگر کاربردهای نانو کپسول‌ها در داروسازی هستند. برای مثال در آلمان نانو ذرات طلا را با یکسری نانو کپسول خاص می‌پوشانند. این ترکیب در مقابل پرتو الکترومغناطیسی خاصی به شدت گرم می‌شود و این گرما سلول‌های سرطانی را نابود می‌کند. نانو کپسول‌های پر شده با فلزات مانند CdSe و ZnS نیز خواص اپتیکی ویژه‌ای دارند که در پزشکی از آنها استفاده می‌شود.مواد کربنی از مقیاس میکرومتر تا نانومتر
در طبیعت بلور کربن به دو صورت الماس و گرافیت یافت می‌شود.سال‌هاست صنایع تولید هواپیما، خودرو و کشتی به جای ورقه‌های فولادی و آلومینیمی از کامپوزیت‌های کربنی استفاده می‌کنند. طول الیاف کربنی این کامپوزیت‌ها در حدود ۱۰۰۰۰ نانومتر هستند. گاهی به منظور بهبود خواص الکتریکی و حرارتی این مواد، طول الیاف کربنی آنها را تا ۱۰۰۰ نانومتر کاهش می‌دهند. این الیاف با تکنیک Vapor Grown Carbon Fiber تولید می‌شوند. اگر طول الیاف کربنی به زیر ۱۰۰ نانومتر برسد، محصول نهایی «نانو کامپوزیت کربنی» نامیده می‌شود. الیاف نانو کربنی از روی هم انباشته شدن لایه‌های نازک گرافیت و لوله‌شدن آنها طی مراحل تولید شکل می‌گیرند. نانو لوله‌های کربنی مقادیر بسیاری زیادی هیدروژن در خود جذب و ذخیره می‌کنند و این خاصیت برای تولید باتری‌های سوختی بسیار کارآمد است. در آزمایشگاه‌های نانو الیاف‌های کربنی با طول ۱۰ و حتی ۱ نانومتر هم تولید شده است.
فولِرِن باکی‌‌بال مولکولی کروی شکل با قطر حدود ۱ نانومتر متشکل از ۶۰ اتم کربن مانند توپ فوتبال است. در این مولکول هر اتم کربن مانند گرافیت با سه اتم کربن دیگر پیوند دارد. به دلیل آزاد بودن یکی از پیوندهای اتمهای کربن، فولرن‌های مجاور هم به یکدیگر و سایر اتم‌ها و ترکیبات موجود در محیط متصل شده و ساختارهای پیچیده می‌سازند. وجوه فولرن بر اساس شرایط تولید گاهی پنج ضلعی و گاهی شش ضلعی هستند. تحمل فشاری در حدود ۳۰۰۰ اتمسفر و وزن کم از جمله خواص اصلی فولرن است. به دلیل کروی شکل بودن به عنوان روان کننده می‌توان در روغن از آنها استفاده کرد. این مولکول با طبیعت سازگار است و به سلول‌های زنده آسیب وارد نمی‌کند. از اینرو می‌توان از آنها درون بدن موجودات زنده به عنوان کپسول حمل مواد استفاده کرد.