Nanopartikel haben eine größere spezifische Oberfläche und sind damit meist deutlich reaktiver als größere Strukturelemente. Dieser Umstand ermöglicht es, neuartige Werkstoffe mit einstellbaren Eigenschaften zu entwerfen. Werkstoffeigenschaften wie die Härte oder die Schmelztemperatur lassen sich gezielt beeinflussen. Auch optische und elektrische Eigenschaften wie Farbe und Fluoreszenz eines Materials oder die Wärme- und Elektronenleitfähigkeit können je nach geometrischer Anordnung und Bindung der Atome verändert werden. Hierbei spielen bereits Quanteneffekte eine Rolle, wie sie in der makroskopischen Welt nicht zu beobachten sind.

Die veränderten chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln ermöglichen mitunter spektakuläre Effekte. Einer der wichtigsten ist die Selbstorganisation bzw. die Autokatalyse, die unter anderem zur Entwicklung von Fullerenen oder Carbon-Nano-Tubes (CNT) geführt haben. In der Medizin könnten z. B. künftig solche Nanostrukturen als »Behälter« für Wirkstoffe dienen, die dann zielgerichtet ausschließlich in der gewünschten Körperregion ihre Wirkung entfalten. Ein weiteres Beispiel sind vom Fraunhofer ISC entwickelte oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel, die als Füllstoffe in Polymeren eingesetzt werden. Zur besseren Verarbeitbarkeit werden diese Nanofüller zunächst zu größeren Mikropartikeln agglomerisiert (siehe Bild). Eingebunden in die finale Polymermatrix entmischen sich die Mikropartikel wieder vollständig.