Ein Nanometer ist $1\ \mathrm{nm} = 10^{-9}\ \mathrm{m}$, ein Milliardstel Meter. Zum Vergleich: Ein Atom ist etwa 0,1 bis 0,3 nm groß, die DNA-Doppelhelix hat etwa 2 nm Durchmesser, ein Haar etwa 50 000 bis 100 000 nm. Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter etwa wie eine Murmel zur Erde.

Ein Nanomaterial hat mindestens eine Abmessung im Bereich von etwa 1 bis 100 nm. Nach einer Empfehlung der EU muss mindestens die Hälfte der Teilchen (nach Anzahl) diese Bedingung erfüllen. Nanomaterialien gibt es auch in der Natur, zum Beispiel in Rauch und Vulkanasche. Technisch unterscheidet man Nanostrukturen nach der Zahl der Abmessungen im Nanobereich:

Zerteilt man einen Stoff, bleibt das Volumen gleich, die Oberfläche aber wächst stark. Für einen Würfel mit der Kantenlänge $a$ gilt für das Verhältnis von Oberfläche $O$ zu Volumen $V$:

Ein großer Teil der Atome liegt bei Nanoteilchen an der Oberfläche. Diese Atome haben weniger Nachbarn und sind reaktionsfreudiger. Deshalb reagieren und lösen sich Nanopulver schneller, und Katalysatoren aus Nanoteilchen sind wirksamer, weil mehr Atome mit den Reaktionspartnern in Kontakt kommen. Auch der Schmelzpunkt kann sinken.

Hinzu kommen Größeneffekte: Die Absorption hängt von der Teilchengröße ab. Gold-Nanopartikel absorbieren grünes Licht und erscheinen rot. Bei Quantenpunkten absorbieren und emittieren kleinere Teilchen Licht kürzerer Wellenlänge als größere, denn ihr Abstand zwischen HOMO und LUMO ist größer.

Der Kontaktwinkel ist der Winkel zwischen Oberfläche und Tropfenrand. Unter 90° ist die Oberfläche hydrophil (Wasser benetzt), über 90° hydrophob. Ab etwa 150° heißt sie superhydrophob: Der Tropfen ist fast kugelig und rollt schon bei geringer Neigung ab.

Das Lotosblatt trägt Höcker von einigen Mikrometern Höhe, und darauf sitzen Wachskristalle im Nanobereich. Wachs ist unpolar, Wasser ist polar und hält durch Wasserstoffbrücken zusammen. In den Zwischenräumen bleibt Luft, und der Tropfen liegt nur auf den Spitzen. Die Kontaktfläche ist klein, der Tropfen rollt ab. Schmutzteilchen haften am Tropfen besser als am Blatt und werden mitgenommen. Das ist der Lotos-Effekt (Selbstreinigung). Glatt gestrichenes Wachs erreicht nur etwa 100 bis 110°. Erst die Mikro- und Nanostruktur macht das Blatt superhydrophob.

Technisch nutzt man Beschichtungen aus wasserabweisend behandelten Nanopartikeln, zum Beispiel für Fassadenfarben, Textilien und Glas. Sie nutzen sich jedoch mechanisch ab, und Fette oder Tenside machen sie wieder benetzbar.

• Sonnencreme: Zinkoxid- und Titandioxid-Teilchen absorbieren und streuen UV-Licht. Sie sind kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts und streuen es kaum, deshalb bleibt die Creme durchsichtig.
• Silber-Nanopartikel wirken antibakteriell, zum Beispiel in Wundauflagen und Textilien.
• Nanoskalige Kieselsäure (Siliciumdioxid) verbessert Autoreifen. Kohlenstoffnanoröhren und -fasern machen Verbundwerkstoffe leicht und fest.
• Edelmetall-Nanopartikel dienen als Katalysatoren, zum Beispiel im Abgaskatalysator.
• In der Medizin transportieren Nanoträger Wirkstoffe zum Zielort, in Displays leuchten Quantenpunkte.

Die Potenziale liegen in neuen Eigenschaften bei wenig Material, in Energietechnik (Solarzellen, Batterien) und in der Medizin. Die Risiken entstehen, weil Nanoteilchen Barrieren überwinden können, die größere Teilchen aufhalten. Eingeatmete Teilchen gelangen tief in die Lunge. Lange, starre Kohlenstoffnanoröhren zeigen in Tierstudien Hinweise auf asbestähnliche Wirkung. Silber-Nanopartikel gelangen mit dem Abwasser in Gewässer und schädigen dort Wasserorganismen. Für viele Stoffe fehlen Daten über Langzeitwirkungen.

Das Risiko hängt nicht allein von der Größe ab, sondern von Stoff, Form, Löslichkeit, Beschichtung, Dosis und Aufnahmeweg. Fest in einen Kunststoff eingebundene Teilchen setzen weniger frei als Teilchen in einem Spray. In der EU müssen Nanomaterialien in Kosmetika in der Zutatenliste mit dem Zusatz „nano“ gekennzeichnet werden. Eine Bewertung wägt Nutzen und Risiko für jede Anwendung einzeln ab.