เส้นใยนาโน  เป็นโครงสร้างนาโนของวัสดุสังเคราะห์ที่มีลักษณะเป็นเส้นใยของของแข็งที่อยู่ในกลุ่มของสารอินทรีย์  และมีขนาดเล็กระดับนาโนเมตร  โดยเส้นใยนาโนนี้ต้องเป็นเส้นใยที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วงระหว่าง 1 - 100 นาโนเมตร (เส้นใยนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 นาโนเมตรจะประกอบไปด้วยโมเลกุลของธาตุประมาณ 40 โมเลกุล  และประมาณ 20 โมเลกุลนั้นเป็นส่วนที่เป็นพื้นผิวของเส้นใยนาโน)  โดยมากแล้วโครงสร้างวัสดุต่างๆที่อยู่ในลักษณะของเส้นใยจะเป็นลักษณะของโครงสร้างพื้นฐาน  ที่ทำให้เกิดโครงสร้างที่มีพื้นที่ผิวที่มีความจำเพาะสูง  คือเป็นพื้นผิวที่ทำปฏิกิริยากับหมู่ฟังก์ชันต่างๆ ได้เป็นอย่างดี   อย่างเช่น เป็นโครงสร้างที่มีความสามารถในการยืดหยุ่นได้ดี มีความแข็งแกร่งและความทนทานที่สูงขึ้น   ซึ่งสามารถที่จะนำมาประยุกต์ใช้งานได้อย่างหลากหลายด้าน

          แต่แท้ที่จริงแล้ว วัสดุที่มีลักษณะเป็นเส้นใยระดับนาโนนี้  ก็เป็นหน่วยโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตที่มีอยู่ในระบบธรรมชาติอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่น เส้นใยโปรตีนซึ่งเป็นส่วนที่ให้โครงร่างแก่เซลล์ (cytoskeleton filament) ที่ประกอบไปด้วยเส้นใยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30 นาโนเมตร เซลล์แท่ง (rod cell) ที่อยู่ภายในลูกนัยน์ตาที่ใช้เม็ดสีโรดอปซิน (rhodopsin) ในการรับแสงมืดทึบ (โรดอปซิน มีขนาดประมาณ 4-6 นาโนเมตร) เป็นต้น (นั่นคือเส้นใยนาโนก็มีอยู่ในระบบธรรมชาติอยู่แล้วเช่นเดียวกัน) และด้วยความสามารถเชิงหน้าที่ภายในเซลล์ทั้งหลายของเส้นใยเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น การเป็นคลังเก็บรักษาพลังงาน เก็บรวบรวมข้อมูล  และกู้ข้อมูล การซ่อมแซมตัวเองภายในเนื้อเยื่อ และประสาทการรับสัมผัสต่างๆ  จึงนำมาสู่การออกแบบเพื่อสังเคราะห์เส้นใยนาโนเพื่อนำมาใช้ในลักษณะเดียวกันด้วย

          เส้นใยนาโนสังเคราะห์ที่มีการสังเคราะห์ขึ้นมานั้น  โดยมากจะถูกสังเคราะห์เพื่อนำมาใช้งานด้วยคุณสมบัติพิเศษทางด้านการนำไฟฟ้า  และคุณสมบัติเชิงกลของโครงสร้างนี้  เช่น การสังเคราะห์เส้นใย  นาโนพอลิเมอร์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อจะนำมาใช้ในการผลิตและสร้างอุปกรณ์ระดับนาโนทางอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ  เช่น  การใช้เป็นตัวนำไฟฟ้า สร้างตัวเก็บประจุ ทรานซิสเตอร์ ไดโอด และนำมาใช้งานทางด้านเทคโนโลยีการเก็บข้อมูล หรือใช้ในระบบการส่งผ่านข้อมูล เช่น  การสร้างหน่วยความจำและชิพสำหรับคอมพิวเตอร์  และการสังเคราะห์เส้นใยวัสดุผสมระดับนาโน เพื่อนำมาใช้เตรียมหน่วยโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการสร้างอุปกรณ์ และโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีคุณสมบัติพิเศษ  ที่สามารถตอบสนองความต้องการในการใช้งานของมนุษย์ได้ เช่นการนำมาใช้งานทางด้านเทคโนโลยีทางด้านการแปลงรูปพลังงานและการกักเก็บพลังงาน เช่น แบตเตอรี่หรือในเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell)   หรือใช้เป็นส่วนผสมในเชิงโครงสร้างสำหรับใช้งานในเทคโนโลยีการบินทั้งในอากาศและในอวกาศ หรือแม้กระทั่งประยุกต์ใช้สำหรับระบบการขนส่งยา และเกี่ยวกับประโยชน์ทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

          วัสดุผสมระดับนาโน (nanocomposite) เป็นโครงสร้างระดับนาโนที่เป็นวัสดุผสมสังเคราะห์ที่มีเนื้อวัสดุหลายอย่างผสมกัน  (multiphase material) โดยที่มีเนื้อวัสดุหนึ่งใดหรือหลายๆ เนื้อวัสดุเป็นโครงสร้างที่มีมิติของขนาดอยู่ในช่วงระหว่าง 1 - 100 นาโนเมตร  ซึ่งส่วนมากแล้ววัสดุผสมระดับนาโนจะเป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยเนื้อวัสดุจำนวน 2 รูปเป็นอย่างน้อย  และสามารถที่จะจำแนกวัสดุผสมระดับ  นาโนได้เป็น 3 ประเภท  ได้แก่  (1) วัสดุผสมที่เป็นเนื้อหลายอย่างแยกชั้นกัน (nanolayers composite) เป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นมาจากเนื้อของวัสดุต่างๆ โดยแบ่งเป็นชั้นๆ   ซึ่งแต่ละชั้นมีขนาดในระดับ    นาโนเมตร  (2) วัสดุผสมที่เป็นเนื้อหลายอย่างแยกเป็นเส้นใย (nanofilamentary composite) เป็นโครงสร้างที่ประกอบขึ้นมาจากพื้นผิวที่มีการผสมเส้นใยฝังตัวลงไปไว้ภายในโครงสร้าง  โดยเป็นเส้นใยที่มีขนาดในระดับนาโนเมตร  (3) วัสดุผสมที่เป็นเนื้อหลายอย่างแยกอนุภาค (nanoparticulate composite) เป็นโครงสร้างพื้นผิวที่มีการผสมเอาอนุภาคที่มีขนาดระดับนาโนเมตรฝังตัวไว้ภายในโครงสร้างนั้น (คล้ายกับประเภทที่ 2 แต่เป็นอนุภาคนาโนแทนที่จะเป็นเส้นใยนาโน)  และโดยส่วนใหญ่วัสดุผสมระดับนาโนนั้นจะเป็นโครงสร้างแบบพอลิเมอร์ที่ถูกทำให้สร้างพันธะกับชั้นผิวของวัสดุ  เส้นใยนาโน  หรืออนุภาคนาโน   เพื่อปรับปรุงและผลิตเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่ดียิ่งขึ้น

         วัสดุระดับนาโนที่ใช้ในการเติมลงไปกับพื้นผิวของโครงสร้าง  เพื่อสังเคราะห์เป็นโครงสร้างวัสดุผสมระดับนาโนนั้นก็มีหลากหลายชนิดแตกต่างกันออกไป แต่ที่มีใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดจะเป็นวัสดุที่เรียกว่าเป็นดินนาโน  หรือบ้างก็เรียกว่าโคลนนาโน (nanoclay) แต่โดยปกติแล้วดิน (ที่อยู่ในสถานะธรรมชาติ) เป็นโครงสร้างที่มีคุณสมบัติที่ชอบน้ำ (hydrophilic) ขณะที่พอลิเมอร์เป็นโครงสร้างที่มีคุณสมบัติที่ไม่ชอบน้ำ (hydrophobic) ดังนั้นการที่จะทำให้ทั้งสองอย่างสามารถทำปฏิกิริยาเข้ากันได้นั้น จะต้องทำให้ดินมีขั้ว (คือทำให้ดินมีคุณสมบัติชอบน้ำนั่นเอง) โดยปรับเปลี่ยนให้อยู่ในสภาพของสารอินทรีย์ เพื่อที่จะให้สามารถทำปฏิกิริยากันและสามารถเชื่อมต่ออย่างพอลิเมอร์ได้

          วัสดุนาโนชนิดอื่นๆ ที่สามารถเติมลงไปเพื่อสร้างเป็นวัสดุผสมระดับนาโนได้อีก  ก็อย่างเช่น ท่อ    นาโนคาร์บอน  บัคมินสเตอร์ฟลูเลอรีน  แผ่นกราไฟต์ เส้นใยนาโนคาร์บอน หรือแม้กระทั่งดินสังเคราะห์ หรือเส้นใยธรรมชาติ ก็มีการศึกษามาว่าสามารถทำได้เช่นกัน ซึ่งวัสดุต่างๆ เหล่านี้จะทำให้วัสดุผสมระดับนาโนที่เพิ่มขีดความสามารถของทางด้านการนำไฟฟ้า และการนำพาความร้อน ได้เป็นอย่างดี   อีกทั้งมีการนำมาใช้กันมากในอุตสาหกรรมการผลิตพลาสติก หรือวัสดุที่สามารถกันน้ำหรือของเหลวได้ เป็นต้น