วัตถุประสงค์ของมนุษย์สำหรับการใช้นาโนเทคโนโลยี คือ การสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่มีความเสถียร  และเป็นโครงสร้างที่มีความพิเศษที่สามารถนำมาใช้งานด้านต่างๆ ที่หลากหลายได้   เมื่อเราทราบกับแล้วว่าโครงสร้างนาโนนั้นเกิดขึ้นหรือมีอยู่แล้วในธรรมชาติ  และเป็นโครงสร้างที่น่าอัศจรรย์อย่างยิ่งในความซับซ้อนและกลไกในการทำงานต่างๆ    ในการที่เราจะสามารถสร้างโครงสร้างระดับนาโนที่เสถียรและมีคุณสมบัติที่พิเศษได้นั้น จำเป็นที่จะต้องเข้าใจด้วยว่าในระบบธรรมชาตินั้นมีวิถีทางในการสร้างโครงสร้างนาโนอย่างไร  เพื่อที่จะนำความเข้าใจนั้นมาสู่วิธีการใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ที่มีอยู่มาใช้ในการสร้างโครงสร้าง หรือจัดเรียงอะตอมต่างๆ ในระดับนาโนตามวิถีทางที่ต้องการได้ ซึ่งในปัจจุบันนี้เราก็สามารถที่จะดำเนินการจัดเรียงอะตอมต่างๆ หรือมีวิธีการในการสร้างโครงสร้างระดับนาโนได้อย่างแม่นยำและมีความถูกต้องสูง อันจะนำไปสู่การนำโครงสร้างนาโนที่มีความพิเศษเหล่านั้นมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ต่อไปในปัจจุบันและอนาคต 

          วิธีการก่อสร้างโครงสร้างนาโนของระบบธรรมชาตินั้นเป็นวิธีการที่มีความซับซ้อน  และเป็นวิธีการที่เกิดขึ้นอย่างเป็นลำดับขั้นตอน  จนกระทั่งได้เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีบทบาทหน้าที่จำเพาะทางชีวภาพ (ตามแนวทางการสร้างแบบจากเล็กไปใหญ่ (bottom-up))   ซึ่งลำดับขั้นตอนของวิธีการที่เกิดขึ้นในการก่อสร้างโครงสร้างนาโนของระบบชีวภาพนั้น สามารถแบ่งได้เป็น 4 ลำดับขั้นตามระดับความซับซ้อนของโครงสร้าง  โดยมีลำดับขั้นตอนดังนี้

            โครงสร้างในระดับแรกนั้นเกิดจากการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมอย่างเป็นลำดับ  ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นโดยที่อะตอมแต่ละอะตอมถูกยึดเข้าไว้ด้วยกันโดยตรง  เป็นโครงสร้างโมเลกุลหนึ่งที่ถูกออกแบบไว้โดยธรรมชาติ (หรือกล่าวได้ว่าถูกกำหนดไว้แล้วว่าเป็นอะตอมที่สามารถจะสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันได้)  โดยผลจากการสร้างพันธะระหว่างกันจะได้เป็นโมเลกุลที่มีการแบ่งปันอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมร่วมกัน  ซึ่งเรียกโครงสร้างโมเลกุลแบบนี้ว่า โมเลกุลโควาเลนต์ (covalent) และลำดับขั้นตอนของวิธีการสร้างโครงสร้างนาโนในระบบธรรมชาติโดยการสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมนี้  ก็เป็นวิธีการที่คล้ายกันกับแนวทางของการก่อสร้างโครงสร้างวัตถุขนาดใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันนี้มากที่สุดด้วย  โดยเหมือนกันตรงที่โครงสร้างที่เป็นผลผลิตนั้นได้ถูกออกแบบหรือถูกกำหนดลักษณะไว้ก่อนล่วงหน้าแล้ว ต่อ จากนั้นจึงนำส่วนประกอบต่างๆ มาจัดเรียงตัวเข้าด้วยกันทีละชิ้นอย่างเป็นลำดับ  จนได้เป็นโครงสร้างตามลักษณะที่ต้องการขึ้นมา (ในระบบธรรมชาติก็คือการที่อะตอมต่างๆ ที่สามารถสร้างพันธะต่อกันและกันได้ยึดตัวเข้าด้วยกันทีละอะตอมจนได้เป็นโครงสร้างโมเลกุลขึ้นมา)  ตัวอย่างเช่น  กรดไขมันที่เกิดขึ้นมาจากการสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันระหว่างหน่วยคาร์บอนสองตัวทีละขั้นตอน  จนกระทั่งประกอบกันเป็นโครงสร้างขึ้นมา  

ลักษณะโครงสร้างของกรดไขมันชนิดต่างๆ ที่เกิดจากการการสังเคราะห์โควาเลนต์ต่อกันและกันระหว่างหน่วยคาร์บอนอย่างเป็นลำดับ

          ผลดีของโครงสร้างโมเลกุลที่ได้จากวิธีการก่อสร้างโครงสร้างโดยการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์นี้ก็คือ  ได้ผลลัพธ์เป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความหลากหลาย (ตามอะตอมที่สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันได้)  และได้เป็นโครงสร้างโมเลกุลที่มีความแข็งแรง (เนื่องจากพันธะโควาเลนต์มีแรงของพันธะที่มีค่าสูง)  จึงทำให้อะตอมต่างๆ ที่สร้างพันธะโควาเลนต์ต่อกันและกันมี ความเครียด (strain) สูง แต่ก็ยังเป็นรูปแบบโครงสร้างโมเลกุลที่มีความเสถียรอยู่ได้  (หรืออาจจะทำให้ได้โครงสร้างโมเลกุลที่ไม่เหมือนกับที่มีอยู่โดยทั่วไปก็เป็นได้) ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการสังเคราะห์โดยการสร้างพันธะโควาเลนต์อย่างเป็นลำดับนี้  ในธรรมชาติมีการนำมาใช้  เพื่อสร้างเป็นโครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่สำคัญจำนวนมากมาย

         

          การขยายขนาดของโมเลกุลโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์  เป็นกระบวนการที่ถูกสร้างขึ้นโดยการประกอบตัวกัน  โดยอาศัยการสร้างพันธะโควาเลนต์ของโมเลกุลที่เป็นหน่วยย่อยพื้นฐานแต่ละหน่วย [หรือที่เรียกว่ามอนอเมอร์ (monomer)] กันแบบซ้ำๆ จนได้โครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่าพอลิเมอร์ (polymer) ที่อาจจะมีลักษณะเป็นแบบสายตรง  เป็นสายแบบมีกิ่งก้าน หรือเป็นแบบร่างแห  ตัวอย่างเช่น  แป้ง  เซลลูโลส โปรตีนในธรรมชาติ  พอลิเอสเทอร์ พอลิเอไมด์  พอลิเอทิลีน  พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) เป็นต้น    

          โครงสร้างโมเลกุลของดีเอ็นเอที่อยู่ภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด  เป็นตัวอย่างหนึ่งที่ชัดเจนของโครงสร้างนาโนที่ได้จากการขยายขนาดขึ้นมา  ซึ่งก็คือโมเลกุลของสายพอลินิวคลีโอไทด์  โดย โครงสร้างที่ได้เกิดขึ้นมาจากการเชื่อมต่อมอนอเมอร์ของหน่วยโครงสร้างพื้นฐานที่มีขนาดในระดับนาโนแบบซ้ำๆ (มอนอเมอร์หน่วยโครงสร้างพื้นฐานนั้นก็คือโมเลกุลของนิวคลีโอไทด์) ซึ่งจะถูกสร้างขึ้นมาเรื่อยๆ ในแต่ละช่วงเวลา  โดยอาศัยการเชื่อมต่อกันระหว่างมอนอเมอร์ด้วยพันธะฟอสโฟไดเอสเตอร์ (phosphodiester) ซึ่งพันธะฟอสโฟไดเอสเตอร์นี้เกิดจากการสร้างพันธะโควาเลนต์  ระหว่างโมเลกุลของหมู่ฟอสเฟตและหมู่โมเลกุลของน้ำตาลที่อยู่ร่วมกันเป็นโครงสร้างสันหลังของดีเอ็นเอ 

          โครงสร้างโมเลกุลที่ได้จากการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อด้วยพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นในระบบธรรมชาตินั้น  อาจจะทำให้ได้โครงสร้างโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษก็เป็นไปได้   แต่ด้วยความมหัศจรรย์ของระบบชีวภาพในธรรมชาตินั้น  ก็มีการจำกัดขอบเขตในการสังเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลนี้อยู่แล้วโดยอัตโนมัติ  ด้วยลักษณะของการจำกัด 2 ประการ  ได้แก่

          การสังเคราะห์เพื่อขยายขนาดจะถูกจำกัดด้วยแบบแผนเชิงเคมีของการเชื่อมต่อกันในแต่ละมอนอเมอร์  ซึ่งถูกกำหนดไว้แล้วโดยธรรมชาติ  ทำให้ลักษณะแบบแผนของแต่ละโครงสร้างนั้นถูกกำหนดไว้แล้วด้วยชนิดของพันธะที่จำเพาะนี้นั่นเอง  ตัวอย่างเช่น โปรตีนซึ่งประกอบตัวกันขึ้นเป็นสายพอลิเมอร์จากการเชื่อมต่อมอนอเมอร์ของกรดอะมิโน  โดยอาศัยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเปปไทด์ (peptide) เท่านั้น   เป็นต้น

          การสังเคราะห์เพื่อขยายขนาดถูกกำหนดเพื่อนำไปสู่มอนอเมอร์ที่จะเสถียรได้ภายใต้เงื่อนไขของปฏิกิริยาที่จำเพาะ  ดังนั้นแล้วแบบแผนเชิงเคมีบางครั้ง  อาจจะถูกปรับเปลี่ยนได้เพื่อประโยชน์ในการสังเคราะห์โครงสร้างที่หลากหลายมากขึ้น  โดยการปรับขยายแบบแผนเชิงเคมีนี้นั้นระบบธรรมชาติก็เป็นผู้ที่กำหนดขึ้นมาเอง  เพื่อปกป้องโมเลกุลของกลุ่มที่ไวต่อปฏิกิริยาในช่วงระหว่างการสังเคราะห์เป็นโครงสร้าง  การจำกัดในลักษณะนี้ที่พบเห็นได้ในระบบธรรมชาติ  ก็อย่างเช่น  การที่เอนไซม์บางตัวมาทำปฏิกิริยาแล้วยินยอมให้โครงสร้างโมเลกุลพอลิเมอร์บางชนิด  เกิดขึ้นมาจากการเชื่อมต่อกันของมอนอเมอร์ที่มีคุณสมบัติเชิงเคมีที่ไม่เหมือนกันได้  เป็นต้น (หรือที่เกิดขึ้นในโครงสร้างโมเลกุลแบบโคพอลิเมอร์นั่นเอง) 

          การขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ที่ถูกนำใช้ในการก่อสร้างโครงสร้างของวัตถุขึ้นมาใหม่  ที่สามารถเห็นได้โดยทั่วไปรอบตัวเรา  ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของพลาสติกแบบต่างๆ  เช่น  พอลิเอทิลีน (polyethylene) ยางที่มีความยืดหยุ่น  หรือไนลอน (nylon) ซึ่งโครงสร้างเหล่านี้ล้วนแต่เป็นโครงสร้างที่ประกอบตัวกันขึ้นมา  โดยการขยายขนาดโดยการเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ทั้งนั้น