Наноматериалы представляют собой вещества, структура которых организована на уровне от одного до нескольких десятков нанометров. Их свойства определяются не только химическим составом, но и размерами структурных элементов, степенью их упорядоченности и поверхностными эффектами. При переходе от макроскопических объектов к наномасштабным системам проявляется квантовый размерный эффект, а также резко возрастает доля атомов, находящихся на поверхности, что ведёт к изменению физических и химических характеристик.
Наночастицы. Дисперсные объекты с размерами до 100 нм. Включают металлические, оксидные, полупроводниковые и углеродные частицы. Отличаются высокой каталитической активностью, изменёнными оптическими свойствами и возможностью проявления суперпарамагнетизма.
Нанотрубки. Наиболее известны углеродные нанотрубки — однослойные (однослойные графеновые цилиндры) и многослойные. Им свойственна высокая прочность, электропроводность и теплопроводность. Используются как армирующие добавки и функциональные элементы в нанотехнологии.
Наноплёнки. Тонкие слои толщиной в несколько нанометров формируются методами напыления или молекулярно-лучевой эпитаксии. Обладают уникальными электронными и оптическими свойствами, которые отличаются от свойств тех же веществ в объёмной фазе.
Наноструктурированные материалы. Состоят из кристаллических зёрен размером 1–100 нм, что обеспечивает сочетание высокой прочности и пластичности. К этой группе относят нанокерамику, нанокомпозиты, ультрадисперсные сплавы.
На наноуровне классические представления о химической связи дополняются эффектами квантовой механики и межфазных взаимодействий.
Физические методы. Включают испарение и конденсацию, лазерное осаждение, молекулярно-лучевую эпитаксию, механическое измельчение. Эти подходы позволяют контролировать форму и размер частиц.
Химические методы. Применяются реакции восстановления, сол-гель процесс, микрокапсулирование, гидротермальный синтез. Они дают возможность создавать наночастицы с заданной морфологией и функциональными группами на поверхности.
Биотехнологические методы. Использование микроорганизмов, белков и ДНК в качестве матриц или катализаторов для формирования наноструктур. Такие материалы находят применение в биомедицине и сенсорике.
Электроника. Создание транзисторов, квантовых точек, нанопроводов и элементов памяти с высокой плотностью записи.
Энергетика. Использование наноструктурированных катализаторов в топливных элементах, наноматериалов для аккумуляторов и солнечных батарей.
Медицина. Наночастицы для доставки лекарств, контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии, антибактериальные покрытия.
Строительство и промышленность. Прочные нанокомпозиты, нанокерамика, термостойкие покрытия.
Экология. Нанофильтры для очистки воды и воздуха, фотокаталитические материалы для разрушения органических загрязнителей.
Создание функциональных наноматериалов связано с возможностью управлять структурой вещества на атомном уровне. Разрабатываются методы целенаправленной самосборки, молекулярного конструирования и гибридизации различных наноструктур. Всё большее значение приобретает экологическая безопасность нанотехнологий и прогнозирование их воздействия на биосферу.