Nanomaterialien können in unterschiedlichen Formen und Strukturen aus einer Vielfalt an Ausgangsmaterialien hergestellt werden, wobei zumindest eine der drei Dimensionen im Nanomaßstab von 1 bis 100 Nanometer (nm) vorliegt. Solche, auch als „Nano-Objekte“ bezeichneten Strukturen können als Fest- oder Hohlkörper vorliegen und sowohl in fester als auch in flüssiger Form vorkommen. Generell unterscheidet man zwischen:

Nanopartikel: „kugelförmige“ Objekte, d. h. alle drei Dimensionen liegen zwischen 1-100 nm

Nanoröhrchen/-fasern/-stäbchen/-drähte: zwei Dimensionen liegen zwischen 1-100 nm

Nanoplättchen/-schichten: eine Dimension liegt zwischen 1-100 nm

Darüber hinaus gibt es noch weitere nanoskalige Strukturen, wie etwa

Kern-Schale-Nanopartikel: Kompositmaterialien aus verschiedenen Komponenten. Sie besitzen einen Kern aus einem Material, z. B. aus magnetischem Eisen, und zumindest eine äußere Hülle aus einem anderen Material, wie z. B. einem Polymer;

Quantenpunkte („Quantum Dots“): Kristalle aus Halbleitermaterialien in Nanometergröße;

Nanostrukturierte Materialien: mit inneren oder äußeren Strukturen im Bereich von 1-100 nm, die als Hohlräume in einem Festkörpermaterial eingegliedert sein können. Dazu gehören z. B. hochporöse Materialien wie Aerogele (siehe „Baumaterialien“) oder schwammartige Nano-Schäume;

Nanometer-dünne Beschichtungen (siehe „Lotus-Effekt“);

Strukturen aus löslichen Substanzen, z. B. Liposome, Mizellen oder Nanokapseln, die zum Transport und zum Schutz empfindlicher Substanzen etwa in der Kosmetik, in der Medizin oder in der Landwirtschaft eingesetzt werden.

Nano-Objekte sind aufgrund ihrer großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen sehr reaktiv und neigen dazu, sich zusammenzuballen. Dabei unterscheidet man zwischen:

Agglomerate: lockere, reversible Anlagerungen, die sich aufgrund einer starken anziehenden Wechselwirkung der einzelnen Nano-Objekte untereinander bilden;

Aggregate: irreversible Anhäufungen von Nano-Objekten, die nicht mehr verteilt werden können.

Solche Zusammenballungen sind aber oftmals unerwünscht, vor allem wenn ein Nanomaterial gleichmäßig in einem anderen Material verteilt werden soll, z. B. wenn Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einen Kunststoff eingearbeitet werden sollen. Deshalb werden Nano-Objekte oft an ihrer Oberfläche chemisch verändert.

"Top down"- "Von groß nach klein":

Durch Zerkleinerung mithilfe spezieller Mahlwerke können Nanomaterialien ausgehend von größeren Ausgangsstoffen in fester oder flüssiger Form hergestellt werden. Obwohl sich der Teilchendurchmesser auf diese Weise verkleinert, wird die Gesamtoberfläche stark vergrößert. Bei Goldpartikeln führt das beispielsweise zur Änderung der Farbe - die Teilchen sind nicht mehr golden, sondern purpurfarben.

"Bottom up"- "Von klein nach groß":

Nanomaterialien werden meistens mit herkömmlichen chemischen und physikalischen Prozessen hergestellt, die zwar schon lange bekannt sind, aber oftmals weiterentwickelt wurden. Aufgrund der physikalischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen einzelnen Teilchen können sich kleinere Teilstücke - Moleküle oder auch einzelne Atome so anordnen, dass ein größeres "Nano-Objekt" mit den gewünschten Eigenschaften entsteht. Durch Beeinflussung von Faktoren wie Temperatur, Druck, Konzentration, etc. kann die Struktur dabei gezielt gelenkt werden. Aufgrund von "freiwilliger" (autonomer) Selbstanordnung können sich beispielsweise Kohlenstoffatome zu Kohlenstoff-Nanoröhrchen anordnen.

Nano-Objekte können aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt werden. Zu den wichtigsten zählen:

Kohlenstoff: z. B. Fullerene (sphärische Nanopartikel), Nanotubes (zylindrische Nanoröhrchen), Carbon Black (Industrieruß), Graphen (einlagige Schicht aus Kohlenstoffatomen);

Metalloxide: z. B. Titandioxid, Zinkoxid, Aluminiumoxid, Eisenoxide

Halbleiter: z. B. Silizium, Cadmiumtellurid, Indiumphosphid

Metalle: z. B. Gold, Silber, Eisen, Kobalt

Polymere: z. B. Polymilchsäure, Acrylate, Polyethylenglykol, Polysaccharide, Proteine

Lipide: z. B. Fette, Öle, Wachse, Fettsäuren