Поверхностные, межфазные и граничные особенности объектов наномира . <...> Фундаментальные и прикладные аспекты наномедицины и нанобиологии . <...> Методы исследования вещества в наноразмерном состоянии . <...> Развитие аналитической инструментальной базы привело к появлению таких прецизионных методов исследования, как комплекс туннельно-зондовых технологий, включающий сканирующую туннельную, атомно-силовую, электросиловую и магнитно-силовую микроскопию. <...> Для неорганической химии переход в наноразмерный масштаб позволил обнаружить новые структурные типы, строение которых не соответствует законам классической кристаллографии. <...> Современные аналитические методы высокого разрешения позволяют экспериментально изучать наносостояние на уровне индивидуальных наноразмерных объектов — наночастиц и кластеров. <...> Это дает право считать наносостояние пятым состоянием вещества, поскольку любое ве щество может быть получено и исследовано в этом состоянии. <...> К сфере нанотехнологии относятся нанокристаллы и наночастицы (в том числе и квантовые точки), нанотрубки, нановолокна, наноусы, двумерные нано - объекты с характерными толщинами порядка размера молекул. <...> Однако на смену микроэлектронике идет наноэлектроника, а есть еще нанохимия, нанобиология и наномедицина. <...> Багдадская батарейка очень большого числа тонких пленок сложного состава с отжигом в закрытой камере при определенных для каждого этапа условиях. <...> Устройство это, получившее название «багдадская батарейка», впервые описал немецкий археолог Вильгельм Кениг в 1938 г. Батарейке около 2000 лет, она состоит из глиняного сосуда с пробкой из битума, которая протыкается железными прутами (рис. <...> А наноструктурирование есть перевод вещества в коллоидное (ультрадисперсное, наноразмерное) состояние, т. е. создание в системе физических или химических фаз нанометровых размеров, которые можно рассматривать как наночастицы, отделенные от остальной структуры поверхностями <...>
Основы_нанотехнологии_(2).pdf
УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73
К89
С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Кузнецов Н. Т.
К89 Основы нанотехнологии : учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Новоторцев,
В. А. Жабрев, В. И. Марголин. — 5-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2026. — 400 с. — (Учебник для высшей
школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-906828-26-2
В учебнике изложены общие представления о нанотехнологии, ее концептуальные
проблемы. Затронуты вопросы самоорганизации и синергетики
в наномире, проанализированы возможности нанометрологии. Рассмотрены
специфические особенности и проблемы наномира.
Для студентов, изучающих дисциплины, связанные с применением нанотехнологии,
магистрантов и аспирантов, инженерно-технических и научных
работников, а также интересующихся проблемами современной науки.
УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73
Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы нанотехнологии
: учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Новоторцев, В. А. Жабрев, В. И. Марголин.
— 4-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2023. — 397 с. : ил. — (Учебник
для высшей школы). — ISBN 978-5-93208-356-7.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации
ISBN 978-5-906828-26-2
© Лаборатория знаний, 2015
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Глава 1. Общие представления о нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.1. Научное мировоззрение и наномир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2. Исторические начала и корни нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.3. Переход от микротехнологии к нанотехнологии. Наномир . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
1.4. Особенности наноразмерного состояния вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
1.5. Терминологическая база нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
1.6. Доктрина развития работ по нанотехнологии и наноматериалам
в России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
1.7. Магистральные направления развития нанотехнологии.
Прогнозы и перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
Глава 2. Концептуальные проблемы нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.1. Проблема размерных эффектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.2. Роль информации и информационной составляющей в наномире . . . . . . . . . . . .95
2.3. Проблемы невоспроизводимости в нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.4. Проблема измерений в квантовой механике и наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.5. Проблема слабых и сверхслабых воздействий в нанотехнологии . . . . . . . . . . . 120
2.6. Резонансные взаимодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.6.1. Некоторые резонансные явления, перспективные
для нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2.6.2. Принцип фрактальности применительно к резонансным процессам
и явлениям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
2.7. Эффекты дальнодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.7.1. Эффекты дальнодействия в наноразмерных структурах . . . . . . . . . . . . . 137
2.7.2. Эффект ориентированной кристаллизации через аморфную среду . . . . 138
2.7.3. Эффект дальнодействия, возникающий при энергетическом
воздействии на систему . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Контрольные вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Глава 3. Самоорганизация и синергетика в наномире . . . . . . . . . . . . . . . .149
3.1. Процессы самоорганизации и синергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2. Реализация процессов самоорганизации в различных системах . . . . . . . . . . . . 166
3.3. Некоторые представления о роли самоорганизации в наномире . . . . . . . . . . . . 178
3.3.1. Кластер. Магические числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.2. Структурные скелеты и надмолекулярное состояние вещества.
Понятие мезофазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Стр.4
4
Оглавление
3.4. Применение процессов самоорганизации для технологических целей . . . . . . . 184
3.5. Самоорганизация в биологических объектах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.6. Самоорганизация как целенаправленный детерминированный выбор
направления эволюционного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.6.1. Особенности химической связи в неорганических,
органических и элементоорганических соединениях . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.6.2. Химические реакции и процессы самоорганизации . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.7. Фрактальные структуры и самоорганизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Контрольные вопросы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Глава 4. Специфические особенности и проблемы наномира . . . . . . . . .227
4.1. Основные понятия нелинейной динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2. Диссипативные системы. Бифуркации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.3. Поверхностные, межфазные и граничные особенности
объектов наномира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4.4. Проблема чистоты материала, вещества и поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.4.1. Проблема чистоты материала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.4.2. Проблема чистоты поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.4.3. Проблема шероховатости поверхности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
4.5. Механические особенности. Закон Холла–Петча . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.6. Междисциплинарные области использования наноразмерных
материалов и композитов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.7. Фундаментальные и прикладные аспекты наномедицины
и нанобиологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Контрольные вопросы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Глава 5. Методы исследования вещества в наноразмерном состоянии . . 289
5.1. Проблемы метрологии в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.2. Автоионный микроскоп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3. Рентгеновская микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.4. Просвечивающая электронная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5.5. Растровая электронная микроскопия. Общие представления. . . . . . . . . . . . . . . 312
5.6. Механизмы формирования контраста в РЭМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
5.7. Электронная оже-спектроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
5.8. Рентгеновский микроанализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
5.9. Рентгеноструктурный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.10. Сканирующая туннельно-зондовая и атомно-силовая микроскопия . . . . . . . . . 353
5.11. Микроскопия ближнего поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
Контрольные вопросы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
Цитируемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377
Дополнительная литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .380
Стр.5