Ряд ключевых технологических вех был достигнут благодаря работе пионеров. Молекулярно-лучевая эпитаксия, изобретенная Альфредом Чо и Джоном Артуром в Bell Labs в 1968 году и получившая развитие в 1970-х годах, позволила контролировать осаждение одноатомных слоев. Этот инструмент обеспечил наноструктурирование в одном измерении, поскольку атомные слои выращивались один на другой. Впоследствии это стало важным в области изготовления сложных полупроводниковых приборов. Например, нанесение слоев немагнитных материалов толщиной в один нанометр между магнитными слоями в компьютерных дисковых накопителях позволило значительно увеличить емкость памяти, а аналогичное использование наноструктурирования привело к созданию более энергоэффективных полупроводниковых лазеров для использования в проигрывателях компакт-дисков.
В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер разработали сканирующий туннельный микроскоп в лабораториях IBM в Швейцарии. Этот инструмент стал революционным достижением, позволив ученым получать изображения положения отдельных атомов на поверхности. Он принес Биннигу и Рореру Нобелевскую премию в 1986 году и породил целый ряд сканирующих зондовых инструментов для наблюдения за наноразмерами.
Наблюдение новых углеродных структур стало еще одной важной вехой в развитии нанотехнологий, а первооткрыватели были удостоены Нобелевских премий. В 1985 году Роберт Ф. Керл-младший, Гарольд В. Крото и Ричард Э. Смолли открыли первый фуллерен — третью известную форму чистого углерода (после алмаза и графита). Они назвали свое открытие buckminsterfullerene («buckyball») за сходство с геодезическими куполами, которые пропагандировал американский архитектор Р. Бакминстер Фуллер. Техническое название C60 — по 60 атомам углерода, образующим их полую сферическую структуру, — напоминает футбольный мяч диаметром в один нанометр (см. рисунок). В 1991 году Сумио Иидзима из японской корпорации NEC открыл углеродные нанотрубки, в которых кольцеобразные структуры углерода вытянуты из сфер в длинные трубки разного диаметра. В совокупности эти новые структуры удивили и взбудоражили воображение ученых возможностью формирования четко определенных наноструктур с неожиданными новыми свойствами.
Сканирующий туннельный микроскоп позволяет не только получать изображения атомов, сканируя острый наконечник зонда по поверхности, но и «толкать» атомы по поверхности. С помощью небольшого напряжения смещения, подаваемого на наконечник зонда, можно было заставить определенные атомы прилипать к наконечнику, используемому для визуализации, а затем освобождаться от него. Так, в 1990 году Дональд Эйглер вывел буквы логотипа своей компании IBM, переместив 35 атомов ксенона на место на поверхности никеля. Эта демонстрация привлекла внимание общественности, поскольку показала точность появившихся наноразмерных инструментов.
