كلما كبر حجم المادة التي نتعامل معها كالكواكب والمجرات أو صغر حجمها كالذرات والجزيئات والجسيمات النانوية كلما احتجنا إلى فهم طبيعة المادة وكيفية تكوينها وتفاعلاتها الداخلية بشكل أفضل. فالمادة تُعرف على أنها كل ما يشغل حيزاً في الفراغ وله كتلة. ووحدة بناء المادة هي الذرة، بتكرارها تتكون الجزيئات فالمادة بالشكل الذي نعرفه ونراه. والمادة قد تكون كلها مكونة من ذرات من عنصر واحد مثل الحديد والنحاس الخ، أو تكون مكونة من عنصرين مختلفين أو أكثر مثل الماء والملح ... الخ.

عدد العناصر المكتشفة والمصنعة لحد الآن هي 118 عنصراً، 92 عنصراً منها موجود طبيعياً و26 عنصراً مصنعاً. إن الذرة لأي عنصر من هذه العناصر تتكون من فراغ شاسع، في وسط الذرة هنالك نواة موجبة الشحنة، تتكون من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات متعادلة الشحنة، وتدور حول النواة الكترونات سالبة الشحنة بالنسبة لمقياس الذرة، فان بين المسافة الالكترونات والنواة كبيرة جداً جداً. لذلك فان الذرة في معظمها عبارة عن فراغ مهول وبالتالي فان المادة بدور هي أيضاً في الواقع في معظمها عبارة عن فراغ شاسع لان المادة ما هي إلا مجموعة كبيرة من الذرات المرتبطة مع بعضها الآخر بطريقة معينة. إن النواة التي تقع في مركز الذرة تمثل اغلب كتلة الذرة، فأكثر من 99,9 % من كتلة الذرة تمثله النواة، أما الالكترونات التي تدور حول النواة فكتلتها ضئيلة جداً بالنسبة لها إلى الحد الذي يمكن إهمالها في بعض الأحيان، لكنه الجسيم الأكثر أهمية ونشاطاً في الذرة والذي تُعزى له مختلف التطبيقات الالكترونية المعروفة، وان نسبة حجم نواة الذرة إلى حجم الذرة ككل هو 1 إلى 100000، أي انه إذا قسمنا الذرة إلى مئة ألف جزء فجزء واحد فقط به كتلة والباقي فراغ. ليس هذا فحسب بل النواة ذاتها غير متراصة وهنالك فراغات بين الجسيمات التي تكونها كذلك. الشكل1- أ يمثل ذرة لعنصر الكربون، وكما هو ملاحظ فان الذرة في معظمها عبارة عن فراغ، وهذا الرسم تقريبي حيث في الواقع الفراغ اكبر بكثير مما موضح في الرسم.

تميل ذرات المواد المختلفة إلى التجمع لتكوين مركبات كيميائية من الجزيئات، ونادراً ما توجد الذرات بشكل منفرد إلا إذا توفرت لها بعض الظروف الخاصة، فالذرات تميل إلى التفاعل مع ذرات أخرى للوصول إلى حالة الاستقرار  . وترتبط الذرات في الجزيئات بروابط تسمى الأواصر, والأواصر هذه تعد ركن من أركان علم النانو المتشعب  . وذلك لان اعادة تشكيل الذرات والجزيئات يمكن أن يولد صوراً أخرى من المواد على هيئة كيانات متناهية في الصغر وهو ما يعرف بالجسيمات أو المواد النانوية.

المادة في الطبيعة توجد على أربع حالات وهي: الحالة الصلبة، الحالة السائلة، الحالة الغازية والحالة الرابعة التي تدعى بالبلازما والمادة في الحالة الصلبة تمتاز بكونها تمتلك ثابتين، هذا ما نراه بالظاهر لكن داخل المادة هنالك وحجم تفاعلات معينة تؤثر في المادة على المستوى الصغير. إن المواد في الحالة الصلبة تتكون نتيجة تقارب عدد كبير من الذرات من بعضها البعض لتكوين البلورة أو المادة الصلبة، كما نلاحظ ذلك في الشكل 1-ب الذي يمثل تجمع عدد كبير من ذرات الكربون لتكوين صورتين من صور الكربون وهما الألماس والكرافيت، نلاحظ من هذا الشكل الفراغات أو ما يشبه الغرف والباحات الواسعة بين الذرات، ليس هذا خاص بمادة الكربون فقط بل كل المواد تحتوي على مثل هذه الفراغات لكن بأشكال مختلفة. ومن الجدير بالذكر أن الذرات سوف تتأثر بما يسمى المجال البلوري، أي أن الالكترونات في الذرة الواحدة لن تتأثر بالشحنات الموجبة الموجودة في نواة ذرتها فحسب، بل تتأثر بالالكترونات والذرات الموجودة في البلورة ككل. إذا يمكن أن نستنتج أن المادة بفراغها الشاسع وطبيعة تركيبها وتفاعلاتها الداخلية أذا ما تم تعديل أو تغيير ذلك لا مكن الحصول على مواد جديدة أو بتعبير أدق تراكيب من نفس المادة لكن ذات خواص تختلف عن تلك للمادة الأصلية من حيث الصلابة وخفة الوزن ومقاومة التآكل والظروف الجوية والبيئية المختلفة وغيرها من الصفات المستحسنة والمرغوبة، وما تلك التراكيب الجديدة إلا التراكيب والجسيمات النانوية المعروفة الآن وما هذا الفراغ الشاسع بين الذرات في المادة الذي يشبه الغرف والساحات إلا ما تكلم عنها العالم ريتشارد فينمان في محاضرته الشهيرة قبل أكثر من نصف قرن من الآن، والذي توقع بتعديله سوف ترتفع سمات المادة وتصرفاتها وذلك بسبب تغير خواصها الفيزيائية والكيميائية إلى صفات أكثر رغبةً وامتيازاً كنتيجة لتصغير حجمها إلى المقياس النانوي. يمكن ملاحظة ذلك في الشكل 1 - ج الذي يمثل أنواعاً من التراكيب الكربونية النانوية ، حيث الاختلاف واضح من حيث الهيئة عن مادة الكربون الاعتيادية الموضحة في الشكل 1 - ب. إن الكرافيت (قلم الرصاص) هو شكل من أشكال الكربون، والطبقة الواحدة منه فقط تسمى كرافين والفولرينات أنابيب الكربون النانوية وكرة بكي) يمكن الحصول عليها من تعديل هذه الطبقة الواحدة (الكرافين) بلفها على شكل اسطوانة للحصول على أنابيب الكربون النانوية أو التفافها حول نفسها على شكل كرة للحصول على ما يسمى بكرة بكي. يتشارك الكرافيت والفولرينات والكرافين في الترتيب البنيوي الأساسي للذرات المكونة لها. تبدأ كل بنية من هذه البني بست ذرات كربون مرتبط بعضها ببعض ارتباطا كيميائياً وثيقاً لتؤلف شكلاً سداسياً منتظماً وهو ما يعرف بحلقة البنزين . ومن هنا يتبين أن التراكيب النانوية التي يمكن الحصول عليها من مادة معينة (في هذه الحالة الكرافين وأنابيب الكربون وكرة بكي) هي نفس المواد الاصلية الناتجة عنها لكن قد أُعيد هيكلة ذراتها أو جزيئاتها.

شكل 1: أ. رسم تقريبي لذرة عنصر الكربون وكما مبين فان الذرة في معظمها فراغ شاسع، والشكل ب. صورتين من صور الكربون وهما الألماس والكرافيت، نلاحظ المساحات والفراغات الشاسعة بين الذرات التي بتعديلها نحصل على الأنابيب والتراكيب الكربونية النانوية المختلفة كما في الشكل ج .