Diversos materiais naturais e artificiais exibem organização estrutural, orgânica e inorgânica, em múltiplas escalas de comprimento, distribuídas hierarquicamente, conferindo-lhes propriedades físico-químicas emergentes além daquelas observadas em cada um de seus componentes. A emergência de tais propriedades depende tanto da organização atômica e molecular nos menores níveis estruturais, de micro e nanopartículas, quanto da organização e correlações entre os diversos níveis hierárquicos superiores. Alguns exemplos característicos são solos, catalisadores, baterias e células solares. Compreender os efeitos da estrutura hierárquica pode orientar a síntese de novos materiais com propriedades físicas que são adaptadas para aplicações específicas.

Com o avanço da ciência de luz síncrotron, hoje é possível combinar diferentes tipos de experimentos, de forma correlativa, em múltiplas escalas de comprimento. A Divisão de Matéria Heterogênea e Hierárquica desenvolve e opera estações experimentais e laboratórios de apoio que permitem caracterizar a matéria heterogênea e hierárquica desde sua ordem química local, com espectroscopia de absorção de raios X na linha de luz QUATI e organização atômica estrutural de médio e longo alcance, pelas técnicas de espalhamento e difração de raios X de altas energias nas linhas de luz JATOBÁ e PAINEIRA, até a estrutura e composição de micro e nanopartículas, com resolução de poucos nanômetros na linha de luz CARNAÚBA, chegando à micro e nano estrutura tridimensional de amostras de vários centímetros, por tomografia de raios X de alta energia na linha de luz MOGNO.