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CNMS的研究将按以下科学项目进行组织，选择这些题目旨在解决对科学的了解、纳米技术的机遇和需要提出的巨大挑战。
• 大分子复杂系统，应对设计和控制大分子材料的纳米尺度构造的重大挑战。研究的重点是合成和表征合成和自然存在的大分子以及混合结构。受控自组装战略将用来形成带有被瞄准目标的材料特性和/或生物功能的层次结构。这个领域强烈需要集中在设计新材料上同时进行理论和建立模型的工作，提供对关于结构、特性和功能的了解，最后达到具有预见性的理论上的了解。用户搞的研究利用活的阴离子、阳离子和自由基技术，最后可能会开发出用于被控制的大分子合成。对中子散射研究 – 表征这些系统的重要工具来说，同位素标记技术被用来促进带有氘标记聚合物的常用合成。开发技术和技巧，协助用户利用各种方法，包括光散射、小角度X射线和中子散射、核磁共振、分光镜法、电子显微术（扫描显微镜术和透射显微术）以及原子力显微术，表征溶液、表面和整体中异常大分子的构造。这个领域与功能性纳米材料有很强的偶合性，功能性纳米材料的部分科学重点是碳和其他纳米管、纳米棒和相关结构，包括多功能合成物的合成和性能测量。
 • 功能性纳米材料，应对以下集中的挑战：1）控制合成许多材料的高质量纳米棒、纳米丝和量子点，为理解纳米尺度和维度对它们性能的影响进行测量；2）需要开发合成物中使用这些纳米材料的方法，同时基本理解纳米尺度力学和结构科学；3）将最近开发的ORNL的能力应用到有效寻找和发现新的氧化薄膜材料以及合成磁性和电气性能可以系统地进行探究和调节的人工分层氧化膜结构中与用户合作的机会；4）将时间分辨就地诊断纳米材料生长早期的独特能力提供给用户，帮助它们了解生长机制，最后帮助它们控制合成。左图为利用有机模板合成的有序纳米孔硅石。
在CNMS第二次规划讨论会上，大分子和功能性纳米材料是两个具有预期用户最多的领域，现在每个领域都有部分用户利用ORNL现有的设施开展自己的纳米科学研究。
• 纳米尺度磁学和传输，重点放在材料的合成和表征上。这些材料的特性和功能性明显地受到纳米尺度的影响，包括集体行为以及缩小和可变维度有关影响的出现。CNMS为用户提供用于纳米尺度测量的整套扫描探针和独一无二的仪器，开展磁力起源的研究，以及利用超薄薄膜、条纹、纳米丝和表面进行量子传输的测量。
• 催化作用和纳米组件，重点是纳米构成的催化剂和辅助物的合成和表征，包括纳米粒子/纳米晶体的研究。它利用与具有世界水平的ORNL能力的有力配合，包括误差校正原子分辨电子显微术、有效“组成分布”催化剂的寻找和评估方法（见功能性纳米材料）和专门的扫描探针，所有这些均向纳米科学用户提供。
• 理论、建立模型、模拟和纳米材料设计研究，用户通过纳米材料理论研究所（NTI）可在CNMS上进行。NTI为CNMS的实验用户提供理论/计算支持。另外，通过提高和提供了解纳米尺度材料和现象所需要的方法学，包括应对计算大的挑战如设计功能性纳米材料和虚拟合成，NTI对成为CNMS用户的理论和计算纳米科学方面的研究人员给予支持。NTI热望成为向用户传播理论、建模和确定纳米材料科学计算最先进水平模拟的首要中心。在设备和专门知识层面，NTI为纳米科学用户提供自己的合作人员、博士后和访问的客座科学家，以及ORNL计算科学中心和领导科学计算设施的全部设备和工作人员的专门知识。在智力层面，NTI通过主办一项主要从事计算纳米科学研究的用户实验室国际计划（NanoFocULs）， 将计算纳米科学在世界上的领先者和用户组织起来的一种主要机制。这种国际计划能够开发和应用最强的技术，解决了解纳米尺度系统和现象的关键问题（由用户选择）。
• 纳米加工研究，将在1万平方英尺的纳米加工研究实验室内进行。纳米加工的科学重点是开发控制合成和纳米材料引导组装的新方法，目的是将纳米尺度的特性和现象与微尺度和超越微尺度结合起来。期望这一研究与催化作用和纳米组件的研究强烈地联系在一起。还将开发一些方法，在功能上把“软”和“硬”材料的使用结合起来，将科学的重点放在纳米尺度生物材料系统上，与大分子研究结合起来。洁净室的空间以及电子束和光刻能力为所有其他CNMS科学项目领域的用户提供支持。右图为计算机模拟富勒烯分子（白色）移动一个氦原子流体（绿色）通过一个碳纳米管（兰色）。
• 纳米尺度成像、表征和处理，用于纳米科学的独特和最先进的仪器。
纳米科学日益需要提供具有成像、性能测量和样品控制综合能力的仪器。这些仪器在世界上仅几个地方才有，而且通常是作为一般用户不能获得使用权的“β仪器”。通过纳米尺度成像、表征和控制科学题目，CNMS提供独特和其它最先进的仪器。该项目细分为三部分，为开发纳米科学中子（和X射线）散射能力提供内行领导；UHV扫描探针；以及电子显微术和光谱学（以扫描电子显微镜和透射电子显微镜为基础的）仪器。
以下列出并简单描述几个为CNMS规划的独特和最先进的能力，每个能力都有可靠用户使用的目标。
纳米科学用的中子：中子散射环境和技术
随着散裂中子源的开放和改进的高通亮同位素反应堆的重新开放，CNMS用户很快就能利用世界上最佳的中子散射能力。中子散射能够特别为磁性和“软”物质系统提供独特的补充其他技术获得的关于纳米尺度材料和现象方面的信息。此外，散裂中子源的脉冲性质意味着，CNMS用户可以在这样的系统中研究结构和反应的时间演变。这些考虑使得CNMS必须让用户容易利用散裂中子源，办法是通过为支持利用中子散射的纳米科学研究营造特别的实验环境。在必须加以控制的变量中，有同位素置换、温度、磁场、压力和流体的流动。所需特殊散射环境和技术的简单目录包括：（1）高温；（2）高压；（3）高磁场、温度和压力；（4）低温和高磁场。这些要在专题讨论会的指导和协助下，利用散裂中子源/高通亮同位素反应堆和全美国中子散射界加以开发。
用于纳米尺度的仪器组
扫描探测器仪器组：空间分辨表征原子、自旋和电荷。电子学结构（发送测试信息）、构形（原子力显微法）、磁化（改进调频制）、压力响应原子力显微法和潜在绘图，均在CNMS一层实验室。
电子显微镜组：用于样品制备的扫描电子显微镜/FIB；计量扫描电子显微镜；常规透射电子显微镜/扫描透射式电子显微镜（最初位于ORNL的主场地）；化学分析用的扫描电子显微镜（EDX）。多数将放在纳米加工研究实验室的防电磁、防震和隔音的房间里。
超高真空扫描探针
带扫描电子显微镜的4点探针扫描透射式显微镜。这台仪器能够对表面的纳米尺度目标进行依赖温度的量子传输测量：自旋电子学、自旋注入和自旋传输。它把电传输的精确4 点测量与纳米尺度扫描电子显微镜的灵敏度结合起来。分辨率小于10 nm 的综合扫描电子显微镜可以对间隔小于100 nm的所有这4个点进行精确独立定位。一个探针可以被电子透射显微镜感应的化学气相沉积法用来产生一种特征，接着由另一个点将产生的纳米特征直接成像和围绕特征进行精确的4 点传输特征测量。在温度20-600 K和超高真空时操作。
现场带极化分析的扫描电子显微镜。这个自旋极化的扫描电子显微镜提供直接将磁畴结构成像需要的10-15 nm 的分辨率，它对了解磁场、关键行为和依赖自旋传输情况下纳米结构的自旋反向和自旋动力学非常关键。这个系统包括超高真空样品环境、样品制备、超高真空电子柱和以自旋极化低能电子衍射为基础的敏感自旋探测。面内300 mT磁场（可提高到800 mT）可以对故意搞成纳米结构材料中的领域进行依赖磁场的研究，操作时温度为50–1000 K。可能的改进是利用扫描俄歇对纳米结构进行元素分析和分辨率在5 nm以下。
“最终扫描透射显微镜”，目前正在ORNL和田那西大学开发中。它将是一台低温（300 mK–150 K）、高磁场（到9T）的单个原子或分子光谱学扫描透射显微镜。通过比商业仪器好100倍的垂直分辨率，使原子分辨光谱学图和电子结构k空间绘图成为可能。“最终扫描透射显微镜”提供研究纳米目标量子响应需要的温度和磁场范围，同时用现场光学方法探测和激发原子或分子。其他特征包括现场样品旋转、室温样品交换和转换为带原子分辨率的磁扫描显微镜的机动性。
电子显微镜方法和光谱学
利用电子显微镜作为开发新的纳米材料测量能力的平台，是2004年9 月15 -16日在田那西州橡树岭召开的利用用于纳米相材料科学的电子、离子和光子的显微学、计量学和控制讨论会的主题。
与透射电子显微镜中的样品进行机、电、磁或热相互作用的新能力对纳米材料研究非常关键，可对单独的碳纳米管或其他纳米尺度的特征进行传导性测量；控制负载和位移，以确定强度、弹性系数或其他响应；和局部化加热或冷却，以启动反应和改变特征。同样，电子全息术可以高分辨率和高对比度将在常规显微镜中具有小的固有对比度的那些材料成像（碳纳米管、混合物、聚合物、蛋白质合成物），还能直接将电场和磁场显形。另外，利用误差校正，样品可定位在离电子镜头1 个多厘米的扫描电子显微镜中而不降低分辨率。这为原子力显微镜+控制器部件以及样品倾斜提供空间，以便在扫描电子显微镜和原子力显微镜的图像中看到同一区域。这样同时发生的相关扫描电子显微镜/原子力显微镜成像，可以看到不能为透射电子显微镜合适制备的材料，去掉成像的模糊不清，并能收集由扫描电子显微镜产生的许多断层照相、化学和电子学的信息。
显微术、计量学和控制讨论会的宗旨是使用户界全面从事认定、讨论、优先考虑和开发以电子显微镜为基础的设备、仪器和CNMS让美国的用户可靠利用这些仪器设备的方法。 | 
了解软物质合成和自组装过程，以及研究在纳米尺度出现的集体（合作）现象。右图为平的和台阶式碘化纳（NaCl，边长750nm）表面上铁的纳米点和纳米丝原子力显微镜图像。
CNMS设施2003年8月开始建造，计划2005年4月竣工，纳米科学用户研究计划于2005年10月开始全面运行。4层主楼由湿和干实验室、办公室空间和公共区组成，以促进人员、长期研究客人和用户之间的交流。主楼将配备多样用来合成、表征和硬软材料综合的专门工具。1万平方英尺的纳米加工研究实验室设在一层楼的侧厅，包括洁净室和为满足电子束成像和书写仪器而设计的区域（低电磁场、低振动和低声噪音）。纳米材料理论研究所提供合作的工作场地、显形设备和与ORNL计算科学中心和国家领导科学计算设施的万亿规模计算设施的高速连接。散裂中子源（计划在2006年末开始进行有限运行）和最近改进的高通亮同位素反应堆的强中子束，为开展纳米尺度材料的结构和动力学研究提供独千载难逢的机会。CNMS为开展研究而使用多种设施受益的用户提供使用这些和ORNL用户设施的方便之门，包括共用研究设备和高温材料实验室用户计划中的电子显微术。