به طور کلی مواد دارای سه بعد طول، عرض و ارتفاع هستند. اگر حداقل یکی از این ابعاد در مقیاس فناوری نانو (100-1 نانومتر) باشد، به آن ماده نانوساختار گفته می‌شود. مواد نانوساختار بر حسب این که چند بعد در مقیاس فناوری نانو داشته باشند، تقسیم‌بندی‌های مختلفی می‌شوند. یکی از این تقسیم‌بندی‌ها بر حسب تعداد ابعاد آزاد است. منظور از بعد آزاد، بعدی است که در مقیاس نانو نباشد و هر مقداری بتواند داشته باشد. بر این اساس مواد به چهار دسته نانوذرات (NanoParticles)، نانوسیم‌ها (NanoWiers)، لایه‌های نازک (Thin Films) و نانومواد حجیم (Bulk Nanomaterials) تقسیم می‌شوند.
ساختارهای انرژی (تراز یا نوار) مواد در راستای هر کدام از ابعاد طول، عرض و ارتفاع وجود دارد. به عبارت دیگر هر جسم سه‌بعدی دارای سه ساختار انرژی مجزا در راستای سه بعد خود است که برآیند آن‌ها ساختار انرژی کل ماده را بیان می‌کند. ابعادی از مواد نانوساختار که در مقیاس نانو هستند، اصطلاحاً محدودیت کوانتومی (Quantum Confinement) دارند. برای مثال لایه‌های نازک که در یک بعد دارای ترازهای انرژی گسسته هستند. محدودیت کوانتومی به این معنی است که به دلیل محدودیت ابعاد در مقیاس نانو، نوارهای انرژی به صورت گسسته در می‌آید و هر چه محدودیت بیشتر باشد (ابعاد کوچک‌تر باشد)، فاصله ترازهای انرژی از هم بیشتر می‌شود. بنابراین یکی از تفاوت‌های اصلی انواع مختلف مواد نانوساختار در تعداد نوارهای انرژی پیوسته و ترازهای انرژی گسسته در سه بعد است که منجر به تغییرات زیادی در خلوص آن‌ها می‌شود.

کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها می‌شود. مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:افزایش نسبت سطح به حجم(surface area)و ورود اندازه ذره به قلمرو آثار کوانتمی.

موارد زیر از کاربردهای نانو مواد هستند:

• صفحات خورشیدی و کیهانی:

دی اکسید تیتانیم و اکسید روی در اندازه‌های نانو در صفحات خورشیدی برای جذب و یا انکسار پرتوهای ماورای بنفش که شفافیت لازم را برای عبور نور قابل رویت دارند، کاربرد بسیاری پیدا کرده‌است.

• ترکیبات پیچیده:

یکی از موارد مهم کاربرد نانوتکنولوژی ساخت ترکیبات پیچیده از چند ماده مختلف است. برای مثال با استفاده از لوله، سیم و ذرات نانو محصولات چند منظوره‌ای تولید می‌شود که هم دارای خواص هر یک از عناصر تشکیل دهنده است و هم ساختار جدیدی با کاربردهای پیشرفته دارد. این مواد در علوم پزشکی، در وسایل بصری، الکترونیک و مغناطیسی به کار می‌روند. همچنین کربن سیاه که اندازه آن به چند ده نانو می‌رسد برای تقویت لاستیک وسایط نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. از یک نوع خاک رس در ابعاد نانو نیز برای ساختن سپرهای مقاوم وسایط نقلیه استفاده می‌شود.

• پوشش سطوح:

استفاده از پوشش‌هایی در اندازه نانو و یا چند اتم، امکانات ویژه‌ای را به وجود آورده‌است. به تازگی شیشه‌هایی ساخته شده که با دی‌اکسید تیتانیم بسیار فعال پوشش داده شده‌است. این شیشه‌ها ضد باکتری، دفع‌کننده آب و از بین برنده مواد شیمیایی بوده و به‌طور خودکار خود را تمیز می‌کنند. کاربرد دیگر مواد نانو ساختن پوشش‌های بسیار مقاوم در مقابل خش، به صورت یک یا چند لایه بر روی لایه اصلی است. گروه بی‌شماری پارچه‌های قابل تنفس، ضد آب و لکه با کنترل منافذ و ناهمواری‌های سطح آن در حد اندازه‌های نانو از مواد پلیمری و غیرآلی ساخته شده‌اند.

• ابزار برشکاری بسیار سخت:

ابزار ساخته شده از کریستال‌های تنگستن، تانتانیم و تیتانیم در اندازه‌های نانو، منجر به ساخت ابزار برش بسیار سخت تر در مقایسه با همان ماده در اندازه ذرات بزرگ تر شده‌است. کاربرد این ابزار در سوراخ کاری، برش فلزات در ماشین تراش، قالب سازی، سنگ بری و نظایر آن بسیار وسیع است.

کاربردهای فناوری نانو در میان مدت شامل موارد زیر می‌شود:

• رنگ‌ها و محلول ها:

استفاده از رنگ‌ها در اندازه نانو می‌تواند قابلیت‌ها و توانایی‌های بسیار خوبی را به رنگ بدهد. برای مثال ساختن رنگ‌های سبک می‌تواند وزن هواپیماها را کاهش داده و باعث صرفه جویی در سوخت آن‌ها شود. کاهش حلال‌ها مورد دیگری است که از آلودگی محیط زیست جلوگیری می‌کند. محلول‌های ضد باکتری موارد استفاده بسیاری در تأسیسات تصفیه آب دارد و دیگر نیازی به استفاده از ضد باکتری مانند کلر نخواهد بود. نانو تکنولوژی در مبدل‌های حرارتی با جذب امواج قرمز باعث صرفه جویی در انرژی شده و با تغییرات دما و یا محیط شیمیایی اطراف آن، موجب تغییر رنگ می‌شود. عمده‌ترین هدف از اجرای این پژوهش‌ها در مورد رنگ‌ها اهداف زیست‌محیطی است.

• محیط زیست:

مطالعه و بررسی بر روی تأثیرگذاری مواد نانو بر مواد آلوده‌کننده خاک و آب‌های زیرزمینی و خنثی کردن تأثیرات مخرب آنها، نمونه‌ای از پژوهش‌های میان مدت است. هم چنین تلاش برای ساخت موادی که سرب و جیوه موجود در محیط زیست را به صورت غیرفعال در آورد، ادامه دارد. اگر این تحقیقات به صورت کامل انجام شود، می‌توان از آلودگی سرب هوا که از سوخت ماشین‌های درون سوز به وجود می‌آید جلوگیری کرد.

• سلول‌های سوختی:

سطح سلولی سوخت‌ها از نظر مهندسی تأثیر مستقیمی بر عملکرد درونی آن دارد. استفاده از هیدروژن به عنوان یک سوخت میانی ممکن است با تغییرات بنیادی هیدروکربورها در کاتالیست‌های یک رآکتور به دست آید. استفاده از علوم نانو برای شدت بخشیدن به عملکرد کاتالیزورها می‌تواند به بازدهی بیشتر و تولید سوخت‌هایی با ذرات کوچک‌تر کمک کند. این عامل می‌تواند در افزایش تولید انرژی برق موثر باشد و در نتیجه برای تولید هیدروژن به جای استفاده از هیدروکربورها از مواد فراوان تر و سازگارتر با محیط زیست استفاده کرد. امروزه هیدروژن به عنوان جانشین سوخت هیدروکربورها در جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است.

• نمایشگرها:

درخواست بسیاری برای تولید نمایشگرهای بزرگ، شفاف و تخت در تلویزیون، کامپیوتر و نظایر آن وجود دارد. نانو کریستال‌های سلنیوم روی، سولفات روی و سولفور کادمیم با روش ژل به صورت تنها (تبدیل ژل مایع به جامد) از موادی است که برای ساخت نور متصاعد از فسفر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین استفاده از CNTs نیز در ساخت این وسایل با درخشش فوق العاده و مصرف انرژی و تشعشعات زیانبار کمتر و طول عمر بیشتر، نسل آینده نمایشگرهای پیشرفته را بوجود خواهد آورد.

• باتری ها:

توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن‌های همراه، دستگاه‌های ناوبری، کامپیوترهای کوچک و قابل حمل، سنسورهای کنترل از راه دور و نظایر آنها، نیاز به داشتن باتری‌های سبک تر با انرژی و دوام بیشتر را دو چندان ساخته است. مواد کریستالی نانو با استفاده از روش کاربرد ژل‌ها در صفحات جداکننده باتری‌ها می‌تواند انرژی بیشتری در مقایسه با باتری‌های متداول امروزی ذخیره کند. باتری‌های ساخته شده از نانو کریستال‌های نیکل نیاز به شارژ مجدد را کاهش و ذخیره انرژی در باتری‌ها را در حد قابل توجهی افزایش داده است.

• مواد افزودنی سوخت ها:

هم اکنون تحقیقات برای افزودن ذرات نانوی اکسید سدیم به سوخت‌های دیزل در دست اقدام است که باعث بالا رفتن بازدهی، صرفه جویی اقتصادی و کاهش میزان مصرف آن‌ها در بلند مدت خواهد شد.

کاربردهای بلند مدت فناوری نانو شامل موارد زیر می‌باشد:

• مواد مغناطیسی:

ساخت ابزارهای مغناطیسی از نانوکریستال‌های یوتریوم، ساماریوم و کبالت خواص بسیار منحصر بفردی را با توجه به کوچک بودن ذرات کریستال‌ها به وجود می‌آورد. این مواد در ساخت موتورها، ماشین‌های تحلیلی مانند MRI و همچنین در علوم پزشکی کاربرد وسیعی دارند. میکروپروسس‌ها، حافظه‌های کامپیوتر، دیسک‌های سخت، با استفاده از فناوری نانو می‌تواند اطلاعات بسیار زیادی را در خود جای دهند.

• وسایل پزشکی:

به‌طور معمول اعضا قابل کاشت در بدن، مانند دریچه‌های قلب، ساخت اندام‌های مورد نیاز در ترمیم‌های ارتوپدی ساخته شده از تیتانیوم و فولادهای ضد زنگ با سایر اعضای بدن سازگاری دارند ولی متأسفانه ممکن است در طول عمر بیماران دچار خوردگی شده و کارآیی خود را از دست بدهند. استفاده از نانو کریستال‌های اکسید زیرکانیوم، به عنوان یک عنصر بسیار سخت، غیرخورنده و مقاوم در مقابل واکنش‌های بدن و سازگاری با آن جایگزین بسیار خوبی برای روش‌های متداول است. نانو کریستال‌های «سیلیکون کربید» به علت وزن کم، مقاومت بسیار عالی و سازگاری با اعضای بدن برای ساخت دریچه‌های مصنوعی قلب در آینده به کار خواهد رفت. ساخت رباط‌هایی با کاربردهای بسیار متفاوت در بدن در اندازه‌های کوچک بخش مهمی از کاربردهای وسیع این‌گونه مواد را شامل می‌شود.

• سرامیک‌های ماشین آلات:

سرامیک‌ها بسیار سخت، شکننده و غیرقابل ماشین کاری بوده و کوچک شدن ذرات آن‌ها در حد نانو کریستال‌ها باعث شکنندگی بیشتر آن می‌شوند. امروزه نانوکریستال‌های نیترات و یا «کربید سیلیکون» در ساخت قطعات ماشین آلات مختلف مانند فنرهای بسیار مقاوم، بلبرینگ‌ها، سوپاپ‌های موتور، اجزای کوره‌ها و نظایر آن به علت آنکه به آسانی قابل ساخت بوده و مقاوم در مقابل حرارت و واکنش‌های شیمیایی مقاوم هستند کاربرد وسیعی دارند. درصورتی که این مواد توسط پرس فشرده شوند، مقاومت حرارتی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر سرامیک‌ها به دست می‌آورند.