Materiaali- ja nanofysiikassa termodynamiikka on täysin keskeisessä asemassa. Esimerkiksi aineiden perinteinen muokkaaminen perustuu hyvin pitkälle lämpö- ja painekäsittelyyn, jonka teoreettinen käsittely perustuu Gibbsin vapaan energian (Gibbs free energy) G = E - TS + PV minimointiin. Vapaan energian minimi antaa materiaalien faasidiagrammin (phase diagram), joka vuorostaan antaa pohjan sille miten eri alkuaineita voi sekoittaa ja siten materiaaleja valmistaa. Tämän tyyppinen termodynamiikka on ollut jo kauan rutiininomaisessa käytössä metalliteollisuudessa.
Myös uudemmissa materiaalien muokkausmenetelmissä termodynamiikalla on ratkaiseva rooli. Esimerkiksi modernit ohutkalvojen fysikaaliset ja kemialliset kasvatusmenetelmät perustuvat epätasapainotermodynamiikkaan, jonka ansiosta niillä voidaan valmistaa materiaaleja joita ei perinteisillä mentelmillä voi mitenkään tehdä. Epätasapainotermodynamiikan käsittely perustuu normaaleihin tasapainoyhtälöihin, joita laajennetaan eri lailla, usein tietokonesimulointien avulla.
Atomitasolla materiaalien termodynamiikkaa voidaankin tutkia erinomaisen hyvin molekyylidynaamisilla simuloinneilla. Niissä ratkaistaan Newtonin liikeyhtälöitä tietokoneeilla iteratiivisesti, niin että saadaan tarkka kuva jokaisen atomin liikkeestä ajan myötä. Yksinkertainen esimerkki näistä simuloinneista on annettu animaatiossa
http://www.acclab.helsinki.fi/~knordlun/termo/n2_gas_1024at_41bar.wmv
joka näyttää miten 512 typpi (N2)-kaasumolekyyliä liikkuu avaruudessa ajan funktiona huoneenlämmössä (300 K) 40 ilmakehän paineessa. Animaatio on kaksiulotteinen projektio atomien liikkeestä kolmiulotteisessa kopissa jonka koko on 4x4x4 nm (koska animaatio on projektio, välillä näyttää siltä että atomit menisivät päällekkäin, jota ei tietenkään todellisuudessa tapahdu). Reunan yli menevät molekyylit palautetaan kopin sisälle sen toisella puolella. Huomaa simuloinnissa aika- ja pituusskaala -- nämä ovat Ångström (0.1 nm) ja pikosekunti, joka on todella atomien liikkeen karakteristinen aikaskaala.
Esimerkki yksinkertaisestä epätasapainoilmiöstä ja sen tietokonesimuloinnista on esitetty animaatiossa
http://www.acclab.helsinki.fi/~knordlun/termo/n2_gas_1024at_41bar.wmv
joka esittää miten alunperin atomaarisen tarkka kupari-nikkeli-rajapinta sekoittuu ajan mukana 1200 K:ssä ja normaalipaineessa (tässä simuloinnissa atomien piirtämisen aikaväliä on pidennetty niin paljon, ettei atomien liike enää näytä jatkuvalta).
Tällainen atomäärisen tarkka rajapinta-järjestelmä voidaan valmistaa kokeellisesti eri atomikerroskasvatusmenetelmillä, ja sellaisia käytetään esimerkiksi tietokoneiden kovalevyjen lukupäissä. Termodynaaminen tasapainotila on kuitenkin se jossa kupari- ja nikkeli ovat täysin sekoittuneita, joten simuloinnissa atomi lähtevät vähitellen sekoittumaan.
Nanotieteen kaikkein tärkein erityispiirre on se että nanorakenteissa pintaa ja rajapintoja on erittäin paljon verrattuna tavallisiin aineisiin -- normaalissa nanorakenteessa jopa yli puolet atomeista voivat olla sen pinnalla. Siksi pintojen termodynamiikka, jota kuvataan pintajännityksellä ja siitä edelleen kehitetyillä suureilla, on ratkaisevassa merkityksessä nanorakenteiden teoreettisessa analyysissä. Esimerkiksi lisäämällä vapaaseen energiaan vain yksi pinta-vapaa-energiatermi ja määrittämällä se molekyylidynamiikalla, voidaan jo ymmärtää usean nanohiukkasen tasapainorakenne ja sen lämpötila- ja kokoriippuvuus.
Esimerkki kuparinanolangan spontaanista muodonmuutoksesta on esitetty animaatiossa:
http://www.acclab.helsinki.fi/~knordlun/termo/nanowire_reconstruct_d13_600K_epotcols.wmv
Tällaisen rekonstruktioprosessin saa aikaan paksumman ja lopun ohuemman nanolangan vapaan energian ero.