中国科学院分子纳米结构与纳米技术重点实验室成立于2001年，其前身是白春礼研究员于1987年建立的STM青年实验室。实验室成立以来，在扫描探针设备研制和相关技术发展，以及纳米化学、纳米材料、纳米生物等诸多科学领域的研究中做出了贡献。实验室研究方向和研究目标也随着纳米科学的发展，逐步凝练和调整，主要可分为以下三个阶段：

第一阶段（1987年-1999年），在纳米科学发展的早期，实验室研究方向主要集中在纳米表征仪器和设备的研制方面。这期间白春礼院士先后主持研制成功了我国第一台原子力显微镜，低温扫描隧道显微镜，弹道电子发射显微镜和扫描近场光学显微镜等表界面微纳结构分析仪器，为我国纳米科技的发展建立了至关重要的技术基础。利用这些自行研制的设备上，在分子水平上获得了体外体系中三链DNA的形成条件、结构特征、生物学作用以及生物单分子的物理化学性质。

第二阶段（2000年-2007年），研究方向逐步从纳米表征仪器设备的研制向分子纳米结构研究拓展。万立骏研究员利用电化学STM技术，建立了一套从结构设计、结构制备、理论模拟、性能检测到原位STM结构表征的系列方法，形成了在固体表面构筑纳米结构的研究体系，成功获得了固体表面的各类有机分子在不同条件下的有序分子组装结构，实现了利用外界条件对分子组装结构的调控；实验室通过人才引进，还将研究方向拓展至碳纳米功能材料、纳米生物检测，以及纳米催化等领域。

第三阶段（2008年-今），实验室瞄准国际前沿研究热点和国家战略发展需要，凝练研究方向，主要集中在新原理纳米表征技术的发展、生物单分子研究、分子组装结构的构筑与调控，以及功能纳米材料的研究等方面。针对高性能新能源器件的研究需求，开展了SPM在能源器件关键界面原位表征技术的研究；针对生物分子复杂多变的特性，开发将SPM技术与具有化学分析功能的光学、质谱等仪器等联合应用技术，通过控制分子间弱相互作用、基底电位等实现了对分子组装结构的调控和有机共价二维网格结构的构建；在功能纳米材料研究方面，主要定位在先进碳纳米材料、环境保护纳米材料、能量转换与存储材料等方向的研究。