Sachverhalt:
A. Gestützt auf einen Anzeigerapport der Kantonspolizei Zürich vom 27. September 2010 und die darin aufgeführten polizeilichen Ermittlungen, wozu unter anderem auch Ergebnisse des Einsatzes einer verdeckten Ermittlung gehörten, eröffnete die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat gegen X._ eine Strafuntersuchung wegen des Verdachts auf Kinderpornografie, evtl. Begehung von sexuellen Handlungen mit Kindern, evtl. auch Gewaltdarstellungen und strafbare Vorbereitungshandlungen zu einem Tötungsdelikt (<ref-law>, <ref-law>, <ref-law>, <ref-law>).
Mit Verfügung vom 8. Oktober 2010 versetzte das Haftgericht des Bezirks Zürich X._ auf Antrag der Staatsanwaltschaft in Untersuchungshaft.
Am 22. Oktober 2010 stellte X._ ein Haftentlassungsgesuch. Mit Verfügung vom 25. November 2010 wies das Haftgericht dieses Gesuch ab und ordnete die Fortdauer der Untersuchungshaft bis zum 8. Januar 2011 an.
Am 5. Januar 2011 stellte die Staatsanwaltschaft IV des Kantons Zürich, welche die Führung des Strafverfahrens unterdessen übernommen hatte, beim Zwangsmassnahmengericht des Bezirks Zürich ein Gesuch um Haftverlängerung um sechs Monate. Das Zwangsmassnahmengericht verfügte am 8. Januar 2011 die Fortsetzung der Untersuchungshaft bis zum 8. Juli 2011.
Die von X._ am 20. Januar 2011 gegen diesen Entscheid erhobene Beschwerde wies das Obergericht des Kantons Zürich mit Beschluss vom 2. Februar 2011 ab.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen vom 4. März 2011 beantragt X._, den Beschluss des Obergerichts aufzuheben und ihn aus der Untersuchungshaft zu entlassen, allenfalls verbunden mit einer Pass- und Schriftensperre als Ersatzmassnahme. Des Weiteren sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.
Die Staatsanwaltschaft beantragt, die Beschwerde sei abzuweisen. Das Obergericht verzichtet auf eine Vernehmlassung. Der Beschwerdeführer verzichtet auf eine abschliessende Stellungnahme.

Erwägungen:
1. Gemäss <ref-law> beurteilt das Bundesgericht Beschwerden gegen Entscheide in Strafsachen. Der angefochtene Entscheid ist kantonal letztinstanzlich (Art. 80 i.V.m. <ref-law>). Mit dem angefochtenen Beschluss wurde die Untersuchungshaft gegen den Beschwerdeführer verlängert. Der Entscheid schliesst das Verfahren nicht ab, weshalb es sich um einen Zwischenentscheid handelt. Da dieser einen nicht wieder gutzumachenden Nachteil im Sinne von <ref-law> bewirken kann, ist die Beschwerde auch insoweit zulässig. Der Beschwerdeführer nahm vor der Vorinstanz am Verfahren teil und hat ein rechtlich geschütztes Interesse an der Aufhebung des angefochtenen Entscheids. Er ist nach <ref-law> zur Beschwerde berechtigt. Das Bundesgericht kann nach <ref-law> bei Gutheissung der Beschwerde in der Sache selbst entscheiden. Der Antrag auf Haftentlassung ist somit zulässig (vgl. <ref-ruling> E. 1.1 S. 272 f.). Da auch die übrigen Sachurteilsvoraussetzungen erfüllt sind, ist auf die Beschwerde einzutreten.
2. Die Untersuchungshaft schränkt die persönliche Freiheit des Beschwerdeführers ein (Art. 10 Abs. 2 i.V.m. <ref-law>, Art. 5 EMRK). Eine Einschränkung dieses Grundrechts ist zulässig, wenn sie auf einer gesetzlichen Grundlage beruht, im öffentlichen Interesse liegt und verhältnismässig ist; zudem darf sie den Kerngehalt des Grundrechts nicht beeinträchtigen (<ref-law>). Im vorliegenden Fall steht ein Freiheitsentzug und damit eine schwerwiegende Einschränkung der persönlichen Freiheit in Frage. Es bedarf deshalb sowohl nach <ref-law> als auch nach <ref-law> einer Grundlage im Gesetz selbst.
Nach Art. 221 der Schweizerischen Strafprozessordnung vom 5. Oktober 2007 (StPO; SR 312.0), welche am 1. Januar 2011 in Kraft getreten ist, ist Untersuchungshaft nur zulässig, wenn die beschuldigte Person eines Verbrechens oder Vergehens dringend verdächtig und ernsthaft zu befürchten ist, dass sie sich durch Flucht dem Strafverfahren oder der zu erwartenden Sanktion entzieht (Abs. 1 lit. a); Personen beeinflusst oder auf Beweismittel einwirkt, um so die Wahrheitsfindung zu beeinträchtigen (Abs. 1 lit. b); oder durch schwere Verbrechen oder Vergehen die Sicherheit anderer erheblich gefährdet, nachdem sie bereits früher gleichartige Straftaten verübt hat (Abs. 1 lit. c). Haft ist auch zulässig, wenn ernsthaft zu befürchten ist, eine Person werde ihre Drohung, ein schweres Verbrechen auszuführen, wahrmachen (Abs. 2). Das zuständige Gericht ordnet gemäss <ref-law> an Stelle der Untersuchungshaft eine oder mehrere mildere Massnahmen an, wenn sie den gleichen Zweck wie die Haft erfüllen (Abs. 1). Eine mögliche Ersatzmassnahme ist die Ausweis- und Schriftensperre (Abs. 2 lit. b).
Bei Beschwerden, die gestützt auf das Recht der persönlichen Freiheit wegen der Anordnung von Untersuchungshaft erhoben werden, prüfte das Bundesgericht im Hinblick auf die Schwere des Eingriffs bereits bisher die Auslegung und Anwendung des kantonalen Strafprozessrechts frei (<ref-ruling> E. 2.5 S. 73 f.). Dementsprechend unterliegen auch die Bestimmungen der Schweizerischen Strafprozessordnung über die Untersuchungshaft der freien bundesgerichtlichen Prüfung. Soweit jedoch reine Sachverhaltsfragen und damit Fragen der Beweiswürdigung zu beurteilen sind, greift das Bundesgericht nur ein, wenn die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruhen (Art. 97 Abs. 1 i.V.m. <ref-law>).
3. 3.1 Dem wegen Raubmordes vorbestraften Beschwerdeführer wird vorgeworfen, am 2. August 2010 von seinem Wohnort aus ein Inserat auf eine einschlägige Internetseite gestellt zu haben, wonach eine 27-jährige Mutter sich selbst und ihre 12-jährige Tochter für Sado-Maso-Spiele anbiete und wünsche, dass sie beide von einem strengen Sadisten zu willenlosen Geschöpfen erzogen und später allenfalls geschlachtet würden. In einer von ihm verfassten E-Mail vom 13. September 2010 an einen sich als Interessenten ausgebenden verdeckten Ermittler der Kantonspolizei Zürich habe der Beschwerdeführer die angebliche Bereitschaft der Mutter und Tochter zu sadomasochistischen Handlungen weiter verdeutlicht und namens von Y._ (als Mutter) erklärt, dass man sie und ihre Tochter jederzeit zu Hause abholen könne, dass sie gerne als vermisst gelten würden und sie (die Mutter) nicht älter als 35 Jahre alt werden möchte. Überdies habe der Beschwerdeführer die Wohnadresse von Y._ angegeben und Fotos einer nackten Frau und eines jungen Mädchens beigefügt, wobei es sich aber nicht um Y._ und deren Tochter gehandelt habe.
3.2 Gemäss <ref-law> mit dem Randtitel "Strafbare Vorbereitungshandlungen" wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder Geldstrafe bestraft, wer planmässig konkrete technische oder organisatorische Vorkehrungen trifft, deren Art und Umfang zeigen, dass er sich anschickt, insbesondere eine vorsätzliche Tötung (Abs. 1 lit. a), eine schwere Körperverletzung (Abs. 1 lit. c) oder eine Freiheitsberaubung und Entführung (Abs. 1 lit. e) auszuführen.
Dem Beschwerdeführer wird insoweit angelastet, mit seinem Vorgehen zumindest in Kauf genommen zu haben, dass tatsächlich ein Interessent Y._ und allenfalls auch deren Tochter entführt, schwer verletzt oder gar tötet.
3.3 Der Beschwerdeführer bestreitet den dringenden Tatverdacht nicht. Er rügt jedoch, die Vorinstanz habe den Haftgrund der Fluchtgefahr gemäss <ref-law> zu Unrecht bejaht. Er sei Schweizer Bürger und habe immer in der Schweiz gewohnt. Seine engsten Bezugspersonen - sein Vater, sein Bruder und seine Lebenspartnerin - lebten ebenfalls in der Schweiz. Er stehe in einem aufgrund der Untersuchungshaft zwar eingestellten, jedoch ungekündigten Arbeitsverhältnis bei der öffentlichen Verwaltung. Seine finanziellen Verhältnisse seien bescheiden, namentlich besitze er kein Vermögen. Überdies leide er unter schweren Rückenbeschwerden. Aufgrund seiner persönlichen Verhältnisse sei selbst bei einer allenfalls drohenden mehrjährigen Verwahrung im Sinne von <ref-law> keine realistische Fluchtgefahr gegeben. Es sei nicht ersichtlich, wie er angesichts seines Alters von immerhin 52 Jahren, seines kritischen Gesundheitszustands und seiner Persönlichkeit - er lege grossen Wert auf stabile Grundstrukturen - sein Leben auf der Flucht ohne Unterstützung seines Umfelds bewältigen könnte. Um etwelchen Bedenken Rechnung zu tragen, sei eine Pass- und Schriftensperre als Ersatzmassnahme ausreichend.
3.4 Die Vorinstanz erwägt, es sei zum jetzigen Zeitpunkt des Verfahrens schwer abzuschätzen, welche Sanktion dem Beschwerdeführer drohe. In Betracht komme allenfalls die Anordnung einer Verwahrung nach <ref-law>; auf jeden Fall aber müsse der Beschwerdeführer mit der Verurteilung zu einer empfindlichen Freiheitsstrafe rechnen.
Der Lebensmittelpunkt des Beschwerdeführers befinde sich zweifellos in der Schweiz, wo sich auch seine engsten Bezugspersonen aufhielten. Eine besondere Beziehung zum Ausland bestehe nicht. Sein - zumindest im jetzigen Zeitpunkt - noch ungekündigtes Arbeitsverhältnis als Verwaltungsangestellter, seine eher bescheidenen finanziellen Verhältnisse und seine angeschlagene Gesundheit seien ebenfalls als gegen eine Fluchtgefahr sprechende Indizien zu werten.
Hingegen - so führt die Vorinstanz weiter aus - habe der Beschwerdeführer bei seiner ersten polizeilichen Befragung angegeben, er habe vor zwei Jahren nach Bolivien "verschwinden" wollen. Er habe im Internet einen Deutschen kennengelernt und diesen an dessen Wohnort in der Nähe von Eisenach getroffen. Dieser Deutsche biete lebensmüden Personen für Euro 20'000.-- an, nach Bolivien auf seine Farm zu reisen. Dort würde man Militärangehörigen übergeben und von diesen gequält. Die Gegenleistung bestehe darin, dass man ansonsten ein sorgenfreies Leben führe. Niemand wüsste, wo man sich aufhalte, und man habe keine Schulden, gar nichts. Irgendwann würde man dann umgebracht und niemand vermisse einen (Einvernahme vom 6. Oktober 2010, S. 13 f.). Am Folgetag habe der Beschwerdeführer bei der Befragung durch die Staatsanwaltschaft diese Aussagen bestätigt (Einvernahme vom 7. Oktober 2010, S. 4). Bei einer späteren Einvernahme habe der Beschwerdeführer zu Protokoll gegeben, er habe ins "Sklavencamp" nach Bolivien gehen wollen, um seine Mutter zu bestrafen. Zusätzlich habe er einen Vorfall erwähnt, der sich im Jahr 2008 abgespielt haben soll. Damals habe er "von der Bildfläche verschwinden wollen" und ein Inserat aufgegeben, in welchem er sich als Sklave angeboten habe, der getötet werden wolle. In diesem Zusammenhang habe er mit einer Frau in Köln Kontakt gehabt (Einvernahme vom 26. Oktober 2010, S. 5).
Die Vorinstanz folgert, angesichts dieser detaillierten Schilderungen von zumindest zwei Begebenheiten im Jahr 2008, bei denen der Beschwerdeführer konkret und ernsthaft in Erwägung gezogen habe, zu "verschwinden", dränge es sich auf, die Wahrscheinlichkeit, dass er sich unter dem Eindruck der drohenden Verurteilung dem weiteren Verfahren entziehen könnte, als hinreichend gross zu betrachten. Dass sich diese beiden Vorkommnisse noch zu Lebzeiten seiner Mutter ereignet hätten, welche er gemäss eigenen Angaben mit seinem Handeln habe bestrafen wollen, ändere nichts Entscheidendes. Aus den Aussagen des Beschwerdeführers liessen sich vielmehr auch anderweitige Motive herauslesen, so wenn er auf die Aussicht auf ein sorgenfreies und schuldloses Leben in Bolivien verweise.
Des Weiteren - so betont die Vorinstanz - gehe aus dem im Verfahren wegen Raubmordes erstellten psychiatrischen Gutachten vom 7. November 1988 hervor, dass der Beschwerdeführer bei aufgestauten aggressiven Gefühlen zu impulsartigen, der Spannungsabfuhr dienenden Handlungen neige. Im Rahmen der während des Strafvollzugs durchgeführten ambulanten psychiatrischen Behandlung sei denn auch unter anderem die Erhöhung der Frustrationstoleranz des Beschwerdeführers ein Therapieziel gewesen. Vor diesem Hintergrund sei davon auszugehen, dass dieser - wie seine eigenen Schilderungen nahelegten - mit einiger Wahrscheinlichkeit in belastenden Situationen impulsiv handeln würde. Auch hieraus lasse sich ein Indiz für Fluchtgefahr ableiten.
Die Vorinstanz schliesst zusammenfassend, aufgrund der gesamten Umstände müsse ernsthaft damit gerechnet werden, dass sich der Beschwerdeführer, wenn er sich in Freiheit befände, durch Absetzen ins Ausland oder durch Untertauchen im Inland dem Zugriff der Strafverfolgungsbehörden entziehen könnte. Eine Ersatzmassnahme, welche den gleichen Zweck wie die Haft erfülle, falle ausser Betracht.
3.5 Beim Haftgrund der Fluchtgefahr gemäss <ref-law> geht es um die Sicherung der Anwesenheit der beschuldigten Person im Verfahren. Nach der Rechtsprechung des Bundesgerichts braucht es für die Annahme von Fluchtgefahr eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass sich die beschuldigte Person, wenn sie in Freiheit wäre, dem Vollzug der Strafe durch Flucht entziehen würde. Im Vordergrund steht dabei eine mögliche Flucht ins Ausland, denkbar ist jedoch auch ein Untertauchen im Inland. Bei der Bewertung, ob Fluchtgefahr besteht, sind die gesamten konkreten Verhältnisse zu berücksichtigen. Es müssen Gründe bestehen, die eine Flucht nicht nur als möglich, sondern als wahrscheinlich erscheinen lassen. Die Schwere der drohenden Strafe darf als ein Indiz für Fluchtgefahr gewertet werden, genügt jedoch für sich allein nicht, um den Haftgrund zu bejahen. Miteinzubeziehen sind die familiären Bindungen, die berufliche und finanzielle Situation und die Kontakte zum Ausland. Auch psychische Auffälligkeiten, die auf eine besondere Neigung zu Impulsausbrüchen bzw. Kurzschlusshandlungen schliessen lassen, können eine Fluchtneigung erhöhen (<ref-ruling> E. 2e S. 271 ff.; Urteil 1B_172/2010 vom 25. Oktober 2010 E. 3.3).
3.6 Die Vorinstanz hat sich im angefochtenen Beschluss eingehend mit dem Haftgrund der Fluchtgefahr auseinandergesetzt. Ihre Ausführungen überzeugen:
Dem Beschwerdeführer droht eine mehrjährige Freiheitsstrafe oder möglicherweise eine Verwahrung gemäss <ref-law>, was einen gewichtigen Anreiz zur Flucht darstellt.
Im psychiatrischen Gutachten vom 7. November 1988 wurden beim Beschwerdeführer eine geistig mangelhafte Entwicklung und eine beschränkte Fähigkeit, aggressive Impulse zu steuern, diagnostiziert. Im Ergebnis ging der psychiatrische Gutachter von einer in mittlerem Masse herabgesetzten Schuldfähigkeit aus. Das im jetzigen Verfahren in Auftrag gegebene psychiatrische Gutachten dürfte bis spätestens Mitte Juli 2011 vorliegen. Bei diesem Stand ist die Folgerung der Vorinstanz, es müsse damit gerechnet werden, dass der Beschwerdeführer (weiterhin) zu unüberlegten impulsiven Reaktionen neige, nicht zu beanstanden. Ebenso wenig verletzt es Bundesrecht, diese konkreten Anhaltspunkte für eine besondere Unberechenbarkeit und Impulsivität des Beschwerdeführers als Indiz für eine bestehende Fluchtgefahr zu werten (vgl. insoweit auch den ähnlich gelagerten Fall 1B_104/2007 vom 25. Juni 2007 E. 3).
Entscheidend ins Gewicht fällt jedoch vor allem, dass der Beschwerdeführer eigenen Angaben zufolge bereits 2008 Pläne hegte und konkrete Vorbereitungshandlungen traf, sich ins Ausland abzusetzen. Auch wenn seine Absicht, sich in ein "Sklavencamp" in Bolivien zu begeben, einer bizarren Fantasie entsprungen sein und mit Suizidgedanken in Zusammenhang gestanden haben mag, besteht doch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass der Beschwerdeführer angesichts einer drohenden längeren Freiheitsstrafe oder gar einer Verwahrung versucht sein könnte, dieses Vorhaben in die Tat umzusetzen.
Entgegen den Vorbringen in der Beschwerde ist der <ref-ruling> zugrunde liegende Sachverhalt nicht mit dem zu beurteilenden Fall vergleichbar. Dort fehlten jegliche Hinweise darauf, dass die Inhaftierte konkrete Pläne schmiedete, sich ins Ausland abzusetzen. Zudem wurde festgestellt, dass die Inhaftierte eine innige Beziehung zu ihren beiden (zehn- bzw. dreizehnjährigen) Kindern pflege, was ihr helfe, im seelischen Gleichgewicht zu bleiben; mit einer Flucht aber würde sie sich die Möglichkeit verbauen, den Kontakt mit ihren Kindern aufrechterhalten zu können. Im Ergebnis verneinte das Bundesgericht daher die Fluchtgefahr. Der Beschwerdeführer hingegen hat keine Kinder, welche ihn davon abhalten würden, sich durch Flucht der drohenden Strafe zu entziehen.
Zusammenfassend bestehen damit ausreichend konkrete Anhaltspunkte für das Vorliegen von Fluchtgefahr.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen. Der Beschwerdeführer ersucht um unentgeltliche Prozessführung und Rechtsverbeiständung. Da die gesetzlichen Voraussetzungen erfüllt sind, kann dem Gesuch entsprochen werden (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gutgeheissen.
2.1 Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
2.2 Rechtsanwalt Daniel Christe wird zum unentgeltlichen Rechtsbeistand ernannt und für das bundesgerichtliche Verfahren aus der Bundesgerichtskasse mit Fr. 2'000.-- entschädigt.
3. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Staatsanwaltschaft IV des Kantons Zürich und dem Obergericht des Kantons Zürich, III. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 22. März 2011
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Fonjallaz Stohner