纳米材料的使用古已有之。据研究，中国古代字画之所以能历经千年而不褪色，就是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。而中国古代铜镜表面的防锈层，也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时还没有纳米这个概念，人们没有下意识的去研究纳米材料而已。
近现代历史中，纳米材料的发展要从美国天才物理学家理查德·费曼的一次演说说起，1959年，费曼在加州理工学院举行的美国物理学会年会上发表了一次经典演讲《在物质底层还有很大空间》，并提出“如果我们可以随心所欲地排列原子，物质将会具有哪些性质？”。费曼认为，如果我们能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这小的机器又可制作更小机器，这样一步步达到单个分子的尺寸，那将会诞生奇迹般的新科学领域，带来一场伟大的技术革命。正是费曼这个天才的预见拉开了纳米材料和纳米技术研究的序幕，今天纳米材料科学的飞快进展也正在把这个预言化为现实。
纳米材料原子结构
那么纳米材料到底是什么材料呢？目前，公认的纳米材料是从材料的尺寸大小来定义的。纳米是一种量度单位，1纳米= 10-9米，相当于4-5个原子排列起来的长度，相当于头发丝直径的十万分之一。通俗一点来说，就像厘米、毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有真正的物理内涵。
狭义上，纳米材料是由纳米颗粒、纳米线、纳米片等微小物质单元所构成的固态材料，其中物质的特征尺寸最多不超过100纳米。广义上，纳米材料是指微观结构在至少一个维度方向上在纳米尺度（1～100纳米）之内的各种固态超细材料。像碳元素的碳60分子（零维纳米材料）、碳纳米管（一维纳米材料）、石墨烯（二维纳米材料）、有序介孔碳（三维纳米孔材料）等等，都是纳米材料的典型代表。纳米材料不仅包括纳米微粒及其组成的纳米块体、纳米薄膜等，还包括纳米组装体系，也就是说除了包括纳米微粒实体的基本单元，还包括了支撑它们的具有纳米尺度空间的载体材料。
与常规的宏观大块材料相比，纳米材料的明显特点是尺寸微小、结构细化、性能改变。纳米材料的独特性来源于它们非常细微的尺寸。在这样一个非常微小的尺寸范围内，对于材料的物理性质，经典牛顿力学规则将不再适用，取而代之的是量子力学规则。这使得纳米材料具有许多既不同于宏观物体、也不同于单个原子或分子的奇妙性质。从量子力学来解释，导致纳米材料产生奇异性能的主要物理效应有：表界面效应、量子尺寸效应、量子限域效应、库伦阻塞与单电子隧穿效应等等，这些效应使纳米材料的力、热、光、电、磁等方面的物理性质与常规材料截然不同，出现了许多新奇的特性，比如产生力学超塑性和超延展性、金属熔点降低、光吸收显著增强、半导体的能隙变宽、磁性改变等等。
随着对纳米材料的基础研究日趋深入、系统，对纳米材料的各种功能、机制的理论研究已经得到了发展和完善。经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。目前，已经产生了很多具有极大实用价值的纳米材料体系，大大改善了现有材料的性能。人们已经能够精确制备仅仅包含几十个原子的纳米微粒 ,并把它们作为基本结构单元，适当排列形成零维的原子点、一维的量子线、二维的量子薄膜和三维的纳米固体，创造出组成相同、性能却迥异的各种纳米材料。这将对生产力的发展将产生深远影响，并有可能从技术上解决某些人类在能源、交通、环保及健康等方面所面临的一系列重大问题。
比如在高强度力学材料方面，纳米铜或银材料比常规材料的硬度高50倍，屈服强度高12倍。纳米陶瓷材料具有比常规陶瓷更高的性能，纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，可制造“摔不断、掰不折”的陶瓷刀。在热学性质方面，通过在PTC陶瓷材料添加少量纳米二氧化钛颗粒，可以降低烧结温度，提高致密度，大大改善了PTC陶瓷的性能。再比如，通过在氧化铝陶瓷材料加入3%～5%的纳米氧化铝粉末，热稳定性提高了2～3倍，热导系数提高10%～15%。在光电器件方面，基于硅纳米材料的光电检测器、用氮化镓纳米薄膜制备的LED灯、以及用不同纳米尺度的CdSe量子点制作的大面积显示屏等等，都已经是成熟的技术。
根据纳米材料对电磁波的强吸收特性，还可以设计静电屏蔽涂层、高介电绝缘涂层、紫外减反射涂层等各种重要的功能涂层。在微电子信息产业，纳米技术的应用为电子信息产业超越“摩尔定律”的发展带来希望。通过利用具有量子效应的纳米信息材料，可以制备纳米金属氧化物半导体场效应管，甚至以碳纳米管和石墨烯构成碳基集成电路，克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，和以光刻沟道宽度极限、功耗、互联延迟等为代表的技术限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、分子马达、纳米机器人等将被制造出来。在未来，纳米技术将提供不同于传统计算机芯片、微电子器件和集成电路的全新功能，从而将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的技术革命。
纳米技术在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域也有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息、集成生物化学传感器、分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。
我国著名科学家钱学森在1991年也曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命 ,从而将是 21世纪又一次产业革命”。当前，纳米材料及技术的应用越来越广泛，已经初具规模，成为人们关注的热点。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、光电新材料、疾病诊断和生物分子检测等众多领域高速发展。纳米技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值也是难以估量的。纳米技术的应用，也将成为21世纪技术水平增长的一个主要发动机。
