Die Nanoskala bezeichnet den Längenbereich von etwa 1–100 nm, in dem sich die strukturellen Dimensionen von Atomen, Molekülen und kleinen Aggregaten überlappen. In diesem Bereich treten emergente physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften auf, die sich qualitativ von denen makroskopischer oder mikroskopischer Systeme unterscheiden.

Für Werkstoffe ist entscheidend, dass an der Nanoskala das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stark zunimmt. Dies führt zu dominanten Oberflächeneffekten, veränderten Diffusionsmechanismen und modifizierten Defektstrukturen. Beispiele sind die Größeneffekte auf die Fließspannung in nanokristallinen Metallen, quantisierte Leitfähigkeit in Nanodrähten oder größenabhängige Bandlücken in Halbleiter-Quantenpunkten.

Auf der Nanoskala ändern sich zudem die Gültigkeitsbereiche klassischer Kontinuumsmodelle. Während Kontinuumsmechanik und klassische Thermodynamik vielfach noch anwendbar sind, müssen sie durch atomistische oder quantenmechanische Beschreibungen ergänzt werden, um Grenzflächenenergien, Versetzungsquellen, Korngrenzenstrukturen oder Phasenumwandlungen korrekt zu erfassen.

Experimentell erfordert die Charakterisierung auf der Nanoskala hochauflösende Methoden wie Transmissionselektronenmikroskopie, Rastersondenmikroskopie oder röntgenbasierte Nanotomographie. In der Modellierung kommen Molekulardynamik, Dichtefunktionaltheorie und mesoskalige Ansätze (z. B. Phasenfeldmethoden) zum Einsatz, um die Kopplung zwischen atomarer Struktur und makroskopischer Eigenschaft zu verstehen.

Die gezielte Kontrolle von Struktur und Defekten auf der Nanoskala ist heute ein zentrales Gestaltungsprinzip für Funktions- und Strukturwerkstoffe, etwa in Katalyse, Energiespeicherung, Mikroelektronik und Hochleistungslegierungen.