Les nanoparticules existent depuis toujours dans l'environnement.
Des nanoparticules "naturelles" sont ainsi produites par l'activité volcanique ou les réactions de photosynthèse. Les poussières désertiques peuvent aussi être de taille nanométrique.
La combustion produit elle aussi des nanoparticules. Depuis que l'homme utilise le feu des nanoparticules "polluantes" sont émises dans l'atmosphère et ce phénomène s'est amplifié avec les gaz d'échappement des véhicules (en atmosphère urbaine il y a de 10 à 20 millions de particules de taille inférieure à 100 nm par litre d'air).
Le troisième type de nanoparticules est constitué par les nanoparticules que l'on est capable de fabriquer aujourd'hui industriellement.

Taille et propriétés des nanoparticules.
Lorsque des atomes isolés se regroupent ils forment des amas ou agrégats (clusters). Les amas ont au maximum quelques milliers d'atomes et on ne peut pas leur appliquer les lois de la thermodynamique basées sur la statistique d'un grand nombre de particules. Leurs dimensions est comprise entre 1 et environ 20 nm.
Cette taille nanométrique leur confère des propriétés particulières :
Des propriétés quantiques dues à l'apparition de niveaux d'énergie discrets comme dans les atomes (ex. propriétés optiques des quantum dots, blocage de Coulomb dans l'électronique à un électron …..).
Des propriétés résultant de la modification du rapport surface-volume (ex. augmentation de la surface spécifique et de l'activité catalytique).
On fera une distinction entre un agrégat (jusqu'à quelques milliers d'atomes) et une nanoparticule (plus de quelques milliers d'atomes). Quand le nombre d'atomes augmente on se rapproche progressivement des propriétés du matériau massif.

Utilisations.
Les nanoparticules peuvent être incorporées dans des matériaux pour leur donner certaines propriétés. On a alors des matériaux dits nanocomposites. Les particules sont dispersées dans une matrice.
C'est par exemple le cas des pneus qui incorporent une faible quantité de nanoparticules de silice, ce qui réduit l'usure et la consommation d'énergie lors de déformations. Ces particules de silice remplacent le noir de carbone traditionnellement utilisé.
Les nanoparticules peuvent aussi être utilisées comme objet discret. Leur surface est alors fonctionnalisée par ajout de biomolécules, c'est le cas des vecteurs de médicaments. On peut aussi inversement vouloir donner à des biomolécules des propriétés spécifiques, c'est le cas des marqueurs. On leur greffe alors des nanoparticules ayant des propriétés données, optiques, magnétiques, photothermiques …
Trois types de liaisons permettent aux biomolécules de s'associer à des nanoparticules :

• les interactions de type récepteur-ligand (affinités clés-serrure). La plus connue est la liaison streptavidine-biotine.
• les interactions antigène-anticorps.
• la complémentarité entre paires de bases des fragments d'ADN.

Techniques de fabrication.
Les nanoparticules peuvent être obtenues par des procédés top down (broyage) ou bottom up (croissance de précurseurs). Dans ce dernier cas on peut contrôler la taille de la nanoparticule soit en limitant la quantité de réactants, soit en introduisant des composés qui bloquent les réactions, soit en limitant le volume dans lequel croît la particule. Les techniques bottom up peuvent être :
procédés sol-gel, dépôts chimiques en phase vapeur, pulvérisation thermique ou par plasma, pyrolyse laser, condensation atomique ou moléculaire.

Nanoparticules et géochimie.
Dans un environnement naturel, les nanoparticules échappent souvent à la détection. On commence à se rendre compte que les nanoparticules sont nombreuses dans les environnements naturels et qu'elles jouent un rôle important du fait de leur réactivité chimique. Elles sont présentes dans l'air, l'eau, le sol, les sédiments. Elles peuvent adsorber des ions insolubles et contribuer à leur transport. Elles sont certainement à l'origine des phénomènes de nucléation et de croissances dans les nuages.
Les nanoparticules (diamètre inférieur à 10 nm) et les microorganismes sont les composants les plus réactifs et les plus abondants des systèmes naturels. La forte réactivité chimique des nanoparticules est due à leur importante surface relative, à leurs structures, à leurs caractéristiques électroniques et à leur aptitude à adsorber des ions.

Synthèse par des micro-organismes.
La réhabilitation de sites pollués par des micro-organismes trouve son origine dans les années 1960. Certaines bactéries et levure peuvent réduire la toxicité de polluante en agissant sur les ions métalliques et en formant des complexes insolubles sous forme de nanoparticules.
L'utilisation de tels microorganisme pour synthétiser des matériaux est plus récente, mais les recherches se multiplient. A titre d'exemple diverses bactéries peuvent synthétiser des nanoparticules d'or, d'argent, de CdS, de ZnS, de magnétite…
Ces particules sont générées à l'intérieur de la cellule, mais peuvent ensuite passer en solution par un traitement approprié. Le micro-organisme est utilisé comme un micro-réacteur chimique qui fabrique un nanomatériau. La gamme de matériaux obtenus est pour l'instant limitée (métaux, sulfures métalliques, oxydes de fer) et il n'y a pas encore d'applications commerciales.