Sadza techniczna (ang. Carbon Black) jest najstarszym produkowanym przez człowieka nanomateriałem. Proste metody wytwarzania sadzy, służącej do wyrobu tuszu, znane były już w starożytnych Chinach i Egipcie. Sadzę otrzymywano wówczas przez spalanie oleju lub żywicy pod zawieszonymi porcelanowymi naczyniami. Znaczenie sadzy technicznej systematycznie rosło od momentu upowszechnienia druku, natomiast zasadniczy przełom nastąpił po odkryciu, że dodanie sadzy do gumy, zdecydowanie poprawia jej własności mechaniczne. Fakt ten przyczynił się do rozwoju motoryzacji, umożliwiając produkcję opon o trwałości dziesiątek tysięcy kilometrów. Obecnie, sadza techniczna stanowi surowiec przemysłowy przede wszystkim jako wypełniacz przy produkcji opon i innych materiałów gumowych oraz jako pigment przy produkcji farb, lakierów i tworzyw sztucznych. Natomiast jako nanomateriał, sadza pozostała niedoceniona. Jedną z nielicznych aplikacji sadzy, efektywnie wykorzystującej możliwości wynikające z nanorozmiaru, jest rola nośnika nanocząstek katalitycznych, które mogą być równomiernie rozdyspergowane na jej mocno rozwiniętej powierzchni, co pozwala znacząco zwiększyć efektywność naniesionego katalizatora, redukując jednocześnie jego zużycie i koszt. Nanocząstki katalityczne zdefiniowane są jako cząstki katalizatora o rozmiarze zawierającym się w zakresie od 1 do 20 nm. Znaczenie procesów z wykorzystaniem katalizatorów dynamicznie rośnie, szczególnie w zakresie zagadnień związanych z magazynowaniem, otrzymywaniem i konwersją energii, a więc zagadnień kluczowych dla jakości życia ludzi i dalszego rozwoju cywilizacji.

Sadza powstaje w wyniku spalania materiałów zawierających węgiel przy niedostatecznym dostępie tlenu. Sadzę, wytwarzaną w warunkach przemysłowych (sadzę techniczną, w skrócie nazywanej sadzą) otrzymuje się w ściśle określonych, powtarzalnych warunkach. Parametry reakcji ustala się tak, aby otrzymać produkt o oczekiwanych własnościach i w satysfakcjonującej ilości, co zasadniczo odróżnia ją od sadzy z kominów czy silników spalinowych. Gatunki sadzy technicznej mogą znacznie różnić się między sobą kształtem agregatów, kształtem, wielkością i sposobem połączenia cząstek pierwotnych oraz ich wewnętrzną budową (uporządkowaniem warstw węglowych). Różnice te wynikają z wielu przyczyn, z których za najważniejsze uznaje się rodzaj (budowę chemiczną) prekursorów i warunki formowania (zwłaszcza temperaturę i czas trwania reakcji). Stosowanych jest kilka metod produkcji sadzy technicznej. W metodzie piecowej, obecnie najbardziej rozpowszechnionej, proces produkcyjny prowadzony jest przy ściśle określonym dopływie tlenu. Surowcem jest olej mineralny z domieszką gazu palnego, którego zadaniem jest utrzymanie wymaganej temperatury (1200–1500 ºC). Dobór parametrów procesu pozwala uzyskać sadzę o średnicy cząstek od około 15 nm do prawie 80 nm. Jedną z najstarszych metod produkcji sadzy jest metoda płomieniowa. Płynne lub stopione surowce spalane są w żeliwnej płaskiej wannie jednym płomieniem. Dopływ powietrza jest regulowany przez boczne szczeliny wlotowe. Produkty spalania, po przejściu przez kanał kominowy, kierowane są do komór o schłodzonych ścianach lub do systemu cyklonów i filtrów w celu wychwycenia sadzy. Uzyskiwana sadza składa się z dużych cząstek, o średnicy od 120 do 200 nm. Podczas produkcji sadzy metodą gazową spalanie odbywa się w systemie otwartym. Opary destylatów ze smoły węglowej spalają się przy swobodnym dostępie powietrza. Sadza osiada na ściankach bębnów obrotowych (napełnionych zimną wodą), umieszczonych nad palnikami. W tej metodzie produkcji otrzymuje się cząstki jednorodne pod względem rozmiaru, który można regulować w granicach od 10 do 30 nm. Produkcja sadzy metodą termiczną jest obecnie rzadko stosowana i ogranicza się do specjalistycznych zastosowań. Spalanie odbywa się w systemie zamkniętym. Ze względu na niską temperaturę (ok. 1300 ºC) i długi czas reakcji, otrzymuje się bardzo duże cząstki (o średnicy do 500 nm) i niewielkiej powierzchni właściwej (rzędu kilku m2/g). Sadza acetylenowa powstaje w wyniku termicznego rozkładu węglowodorów ciekłych i gazowych, bez dostępu powietrza. Jest to jedyna sadza powstająca w wyniku reakcji silnie egzotermicznej. Dla sadzy acetylenowej charakterystyczne jest występowanie długich, równolegle ułożonych warstw węglowych. Wysoka temperatura reakcji (ok. 3000 ºC) i wysokie ciśnienie (ponad 100 Pa) powodują, że otrzymywane cząstki są nieregularnego kształtu, charakteryzują się wysokim stopniem krystalizacji i wysokim przewodnictwem elektrycznym.

Powierzchnia właściwa sadz technicznych zależy od warunków formowania i zmienia się w szerokim zakresie, od kilku do kilkuset m2/g. Warunki formowania wpływają również na strukturę agregatów i cząstek pierwotnych sadzy. Sadze o małej powierzchni właściwej (poniżej 50 m2/g) zbudowane są z dużych cząstek (o średnicy ponad 40 nm). Są to gatunki sadz technicznych powstających w relatywnie niskiej temperaturze, których czas formowania jest długi. Gatunki sadzy o większej powierzchni właściwej, ale nieprzekraczającej wartości 400 m2/g, zbudowane są z drobnych cząstek (o średnicy ok. 10–40 nm). Proces formowania tych gatunków sadz technicznych jest szybszy i przebiega w wyższej temperaturze niż sadzy o małej powierzchni właściwej. Wysoka wartość powierzchni właściwej pozostałych gatunków sadz technicznych (powyżej 400 m2/g) jest rezultatem odmiennego charakteru procesu wytwarzania (proces egzotermiczny) i/lub dodatkowych procesów, którym poddawane są te sadze i nie ma bezpośredniego związku ze średnicą cząstek. Niektóre gatunki sadzy poddawane są procesowi oksydacji w odpowiednio ustalonych warunkach, co wpływa na zmianę własności chemicznych i aplikacyjnych otrzymywanych materiałów.

Sadza zbudowana jest z trójwymiarowych agregatów, składających się z wielokrotnie rozgałęzionych łańcuchów o złożonym kształcie. Agregaty sadzy składają się z kulistych cząstek pierwotnych, o średnicy poniżej 100 nm, które z kolei zbudowane są z koncentrycznie ułożonych warstw węglowych, równoległych względem siebie i odległych w przybliżeniu o 0,335 nm. Dzięki tej charakterystycznej, wieloskalowej organizacji można je jednoznacznie odróżnić od innych stałych cząstek węglowych podczas obserwacji w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM, ang. Transmission Electron Microscope).

Rys. Wieloskalowa organizacja struktury sadzy: agregat sadzy (przyłączony do błonki węglowej) (a), powiększenie jego fragmentu, złożonego z kulistych cząstek pierwotnych (b), powiększenie fragmentu cząstki pierwotnej, zbudowanej z koncentrycznie ułożonych warstw węglowych (c).