Fibrillen sind feine, meist zylindrische oder leicht bandförmige Filamente mit Durchmessern typischerweise im Nano- bis unteren Mikrometerbereich, die als hierarchische Struktureinheiten in biologischen und synthetischen Systemen auftreten. Sie unterscheiden sich von einzelnen Makromolekülen (z. B. Einzelpolymerketten) und von größeren Fasern durch ihre Zwischenstellung in Größe und Organisation.

In biologischen Systemen bilden Fibrillen beispielsweise die Grundbausteine von Kollagenfasern oder von Amyloidfibrillen. Letztere entstehen durch selbstorganisierte Aggregation fehlgefalteter Proteine zu hochgeordneten, oft β‑faltenreichen Nanostrukturen. Diese zeigen charakteristische mechanische Steifigkeit, hohe Zugfestigkeit und spezifische optische sowie spektroskopische Signaturen und sind zugleich mit pathologischen Prozessen (z. B. neurodegenerativen Erkrankungen) verknüpft.

Im weiteren Sinne umfasst der Begriff auch nanofibrillare Strukturen und Nanofibrillen, etwa in zellulosischen Nanofibrillen oder polymeren Nanofasern. Hier werden Fibrillen als funktionale Verstärkungselemente in Verbundwerkstoffen genutzt, um Steifigkeit, Festigkeit und Bruchzähigkeit zu steigern, häufig bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion. Die Kombination aus hoher Aspekt­ratio, großer spezifischer Oberfläche und geordneter Molekularstruktur führt zu ausgeprägter Anisotropie der mechanischen und transportbezogenen Eigenschaften.

Für die Werkstoffentwicklung sind die Kontrolle der Fibrillenmorphologie (Durchmesser, Länge, Krümmung), der inneren Ordnung (Kristallinität, Faltungsarchitektur) sowie der Fibrillen-Fibrillen- und Fibrillen-Matrix-Wechselwirkungen entscheidend. Moderne Charakterisierungsmethoden wie Elektronenmikroskopie, AFM, Röntgen- und Neutronenstreuung sind zentral, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen fibrillärer Systeme quantitativ zu erfassen.