Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

НАНОСТРУКТУРНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Ìîñêâà

2005

ÂÛÑØÅÅ ÏÐÎÔÅÑÑÈÎÍÀËÜÍÎÅ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ

Р.А.АНДРИЕВСКИЙ, А.В.РАГУЛЯ

Рекомендовано

Учебнометодическим объединением по образованию

в области металлургии в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлению подготовки дипломированных специалистов

651800 «Физическое материаловедение»

Àíäðèåâñêèé Ð. À.

Íàíîñòðóêòóðíûå ìàòåðèàëû: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ ñòóä. âûñø.

ó÷åá. çàâåäåíèé / Ð.À.Àíäðèåâñêèé, À. Â. Ðàãóëÿ.  Ì.: Èçäà-

òåëüñêèé öåíòð «Àêàäåìèÿ», 2005.  192 ñ.

ISBN 5-7695-2034-5

Ñèñòåìàòèçèðîâàíû äàííûå î íàíîñòðóêòóðíûõ ìàòåðèàëàõ, ðàññìîò-

ðåíû îñîáåííîñòè èõ ôèçè÷åñêèõ, õèìè÷åñêèõ, ìåõàíè÷åñêèõ è äðóãèõ

ñâîéñòâ. Îïèñàíû îñíîâíûå òåõíîëîãè÷åñêèå ïðèåìû ïîëó÷åíèÿ íàíî-

ñòðóêòóðíûõ ìàòåðèàëîâ, îõàðàêòåðèçîâàíû îáëàñòè èõ ïðèìåíåíèÿ â òðà-

äèöèîííîé è íîâîé òåõíèêå, èíôîðìàöèîííûõ è êîìïüþòåðíûõ òåõíîëî-

ãèÿõ, ìåäèöèíå, ñåëüñêîì õîçÿéñòâå, â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ñðå-

äû.

Äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé, îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëü-

íîñòè «Ôèçè÷åñêîå ìàòåðèàëîâåäåíèå». Ìîæåò áûòü ïîëåçíî àñïèðàíòàì,

èíæåíåðàì è íàó÷íûì ðàáîòíèêàì, çàíèìàþùèìñÿ âîïðîñàìè ôèçèêè,

õèìèè, ìåõàíèêè è áèîëîãèè íàíîñòðóêòóðíûõ ìàòåðèàëîâ.

ÓÄÊ 620.22(075.8)

ÁÁÊ 30.3ÿ73

À65

ISBN 5-7695-2034-5

À65

ÓÄÊ 620.22(075.8)

ÁÁÊ 30.3ÿ73

Ðåöåíçåíòû:

ä-ð õèì. íàóê, ïðîôåññîð Ì.Â. Àñòàõîâ,

ä-ð ôèç.-ìàò. íàóê, ïðîôåññîð À.Ì.Ãëåçåð,

ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð Þ.Â.Ëåâèíñêèé

Îðèãèíàë-ìàêåò äàííîãî èçäàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîáñòâåííîñòüþ

Èçäàòåëüñêîãî öåíòðà «Àêàäåìèÿ», è åãî âîñïðîèçâåäåíèå ëþáûì ñïîñîáîì

áåç ñîãëàñèÿ ïðàâîîáëàäàòåëÿ çàïðåùàåòñÿ

187

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ

Ïðåäèñëîâèå ................................................................................................. 3

Ãëàâà 1. Ââåäåíèå â íàíîòåõíîëîãèþ ....................................................... 5

Ãëàâà 2. Îñîáåííîñòè íàíîñòðóêòóðû ..................................................... 12

2.1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà .................................................................. 12

2.2. Çåðíà, ñëîè, âêëþ÷åíèÿ è ïîðû â êîíñîëèäèðîâàííûõ

ìàòåðèàëàõ ..................................................................................... 17

2.3. Äåôåêòû, ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà, ïîãðàíè÷íûå

ñåãðåãàöèè ..................................................................................... 25

2.4. Ñòðóêòóðà ïîëèìåðíûõ, áèîëîãè÷åñêèõ è óãëåðîäíûõ

íàíîìàòåðèàëîâ ............................................................................ 33

Ãëàâà 3. Ñâîéñòâà íàíîìàòåðèàëîâ. Ðàçìåðíûå ýôôåêòû ...................... 45

3.1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà .................................................................. 45

3.2. Ýëåêòðîííîå ñòðîåíèå .................................................................. 46

3.3. Ôàçîâûå ðàâíîâåñèÿ è òåðìîäèíàìèêà ....................................... 50

3.4. Ôîíîííûé ñïåêòð è òåðìè÷åñêèå ñâîéñòâà ................................ 59

3.5. Ñâîéñòâà òèïà ïðîâîäèìîñòè. Îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ...... 65

3.6. Ìàãíèòíûå õàðàêòåðèñòèêè ......................................................... 73

3.7. Ìåõàíè÷åñêèå ñâîéñòâà ................................................................ 79

3.8. Ñòàáèëüíîñòü. Ðîñò çåðåí. Äèôôóçèÿ ........................................... 95

3.9. Ðåàêöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü. Êàòàëèç ........................................... 103

Ãëàâà 4. Îñíîâû òåõíîëîãèè íàíîìàòåðèàëîâ ...................................... 114

4.1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ................................................................ 114

4.2. Òåõíîëîãèÿ êîíñîëèäèðîâàííûõ ìàòåðèàëîâ ........................... 116

4.3. Òåõíîëîãèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâ .................................................... 135

4.4. Òåõíîëîãèÿ ïîëèìåðíûõ, ïîðèñòûõ, òðóá÷àòûõ

è áèîëîãè÷åñêèõ íàíîìàòåðèàëîâ ............................................. 139

Ãëàâà 5. Ïðèìåíåíèå íàíîìàòåðèàëîâ ................................................... 150

5.1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ................................................................ 150

5.2. Êîíñòðóêöèîííûå, èíñòðóìåíòàëüíûå è òðèáîòåõíè÷åñêèå

ìàòåðèàëû.................................................................................... 151

5.3. Ïîðèñòûå ìàòåðèàëû è ìàòåðèàëû ñî ñïåöèàëüíûìè

ôèçèêî-õèìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ............................................ 156

5.4. Ìàòåðèàëû ñî ñïåöèàëüíûìè ôèçè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ........ 161

5.5. Ìåäèöèíñêèå è áèîëîãè÷åñêèå ìàòåðèàëû .............................. 169

5.6. Ìèêðî- è íàíîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû ......................... 174

Ïðèëîæåíèÿ............................................................................................... 180

ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ

Íàíîòåõíîëîãèÿ êàê ìåæäèñöèïëèíàðíîå íàïðàâëåíèå, ñôîð-

ìèðîâàâøååñÿ â ìèðîâîé íàóêå è òåõíèêå â ïîñëåäíèå 1520 ëåò,

èçó÷àåò îáúåêòû, ðàçìåð êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 0,1 100 íì

(1 íì = 10

-9

ì); ýòî òàê íàçûâàåìûå ìàëîðàçìåðíûå îáúåêòû. Âàæ-

íîé ñîñòàâëÿþùåé ýòîãî íàó÷íî-òåõíè÷åñêîãî íàïðàâëåíèÿ ÿâëÿ-

åòñÿ ðàçðàáîòêà íàíîñòðóêòóðíûõ ìàòåðèàëîâ. Ïîä íàíîñòðóêòóð-

íûìè (íàíîêðèñòàëëè÷åñêèìè, íàíîêîìïîçèòíûìè, íàíîôàçíû-

ìè, íàíîâîëîêíèñòûìè è ò. ä.) ìàòåðèàëàìè ïðèíÿòî ïîíèìàòü

ìàòåðèàëû, îñíîâíûå ñòðóêòóðíûå ýëåìåíòû êîòîðûõ (êðèñòàë-

ëèòû, âîëîêíà, ñëîè, ïîðû) íå ïðåâûøàþò 100 íì, ïî êðàéíåé

ìåðå â îäíîì íàïðàâëåíèè

. Â çàäà÷ó ìàòåðèàëîâåä÷åñêèõ èññëåäî-

âàíèé âõîäèò óñòàíîâëåíèå ìíîãîîáðàçíûõ ñâÿçåé ìåæäó ñâîé-

ñòâàìè è ñòðóêòóðîé ìàòåðèàëîâ ñ âûÿâëåíèåì îïòèìàëüíûõ íà-

íîñòðóêòóð, ÷òî îñóùåñòâëÿåòñÿ â òåñíîé ñâÿçè ñ òåõíîëîãèåé èç-

ãîòîâëåíèÿ è ïîñëåäóþùåé ýêñïëóàòàöèåé íàíîñòðóêòóðíûõ ìà-

òåðèàëîâ.

Áëàãîäàðÿ ñâîèì óíèêàëüíûì ñâîéñòâàì íàíîñòðóêòóðíûå ìà-

òåðèàëû (äàëåå  íàíîìàòåðèàëû) çàíèìàþò âåäóùåå ïîëîæåíèå

â ñîâðåìåííîì ìàòåðèàëîâåäåíèè. Çíà÷èòåëüíî âûðîñ èíôîðìà-

öèîííûé ïîòîê ïî íàíîòåõíîëîãèè è íàíîìàòåðèàëàì  ñòàòüè â

æóðíàëàõ è ñáîðíèêàõ, òðóäû ìíîãî÷èñëåííûõ êîíôåðåíöèé è

ñåìèíàðîâ, ïàòåíòû, îòäåëüíûå ìîíîãðàôèè (ñïèñîê ìåæäóíà-

ðîäíûõ æóðíàëîâ, ïóáëèêóþùèõ ñòàòüè ïî ýòîìó íàïðàâëåíèþ,

ïðèâåäåí â ïðèë. 1; êðóïíåéøèå êîíôåðåíöèè è ñåìèíàðû, ïî-

ñâÿùåííûå ýòèì âîïðîñàì, ïåðå÷èñëåíû â ïðèë. 2). Îäíàêî ó÷åá-

íàÿ ëèòåðàòóðà ïî íàíîòåõíîëîãèè ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò.

Ïðåäëàãàåìîå ó÷åáíîå ïîñîáèå íàïèñàíî íà îñíîâå êóðñîâ ëåê-

öèé, ïðî÷èòàííûõ àâòîðàìè â ðÿäå óíèâåðñèòåòîâ è èíñòèòóòîâ

(Ìîñêîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé èíñòèòóò ñòàëè è ñïëàâîâ, 1994

1996 ãã.; Ïîäìîñêîâíûé ôèëèàë ÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà, 2002

2004 ãã.; Ó÷åáíî-îáðàçîâàòåëüíûé öåíòð Èíñòèòóòà íàíîòåõíîëî-

Â ðàññìàòðèâàåìóþ êàòåãîðèþ íå âõîäÿò òàêèå òðàäèöèîííûå ìàòåðèàëû,

êàê äèñïåðñíî-óïðî÷íåííûå è äèñïåðñèîííî-óïðî÷íåííûå ñïëàâû, â ñòðóêòóðå

êîòîðûõ èìåþòñÿ î÷åíü ìåëêèå ÷àñòèöû (â òîì ÷èñëå è íàíîâîëîêíà), çàíèìàþ-

ùèå ïî îáúåìó îáû÷íî âñåãî ëèøü äî 5 10 %, à òàêæå îáû÷íî äåôîðìèðóåìûå

ìåòàëëû è ñïëàâû, ðàçìåð áëîêîâ èëè ëîêàëüíî ðàçîðèåíòèðîâàííûõ îáëàñòåé â

êîòîðûõ òîæå äîâîëüíî ìàë, íî ðàçìåð èñõîäíûõ çåðåí îñòàåòñÿ çíà÷èòåëüíûì.

ãèé, 2003 ã.; Óíèâåðñèòåò èì. Áåí Ãóðèîíà, Èçðàèëü, 2003 ã.; Íàöèî-

íàëüíûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò Óêðàèíû, Êèåâ, 2003 2004 ãã.),

à òàêæå îòäåëüíûõ ëåêöèé â ðÿäå óíèâåðñèòåòîâ Àíãëèè, Êèòàÿ,

Ïîðòóãàëèè, ÑØÀ, Ôðàíöèè, Ãåðìàíèè è Øâåöèè (1994 2003 ãã.)

è íà ñèìïîçèóìàõ-øêîëàõ, ïðîâîäèìûõ Íàó÷íûì êîìèòåòîì ÍÀÒÎ

(NATO ASI, 1997  2003 ãã.).

Â ïîñîáèè äàíà õàðàêòåðèñòèêà îñîáåííîñòåé íàíîñòðóêòóðû,

ðàññìîòðåíû ðàçíîîáðàçíûå õèìè÷åñêèå, ôèçè÷åñêèå, ìåõàíè÷å-

ñêèå è äðóãèå ñâîéñòâà íàíîìàòåðèàëîâ, ïðîàíàëèçèðîâàíî ïðî-

ÿâëåíèå ðàçìåðíûõ ýôôåêòîâ, îïèñàíû îñíîâíûå òåõíîëîãè÷å-

ñêèå ïðèåìû ïîëó÷åíèÿ íàíîìàòåðèàëîâ è ãëàâíûå íàïðàâëåíèÿ

ñîâðåìåííîãî è áóäóùåãî èõ ïðèìåíåíèÿ.

Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ÷èòàòåëü çíàêîì ñ ôèçè÷åñêèìè è ôèçè-

êî-õèìè÷åñêèìè äèñöèïëèíàìè (ôèçèêîé è õèìèåé òâåðäîãî òåëà,

ñîâðåìåííûìè ìåòîäàìè èññëåäîâàíèÿ è äð.), à òàêæå ñ ýëåìåí-

òàìè áèîëîãèè. Òåì íå ìåíåå â ðÿäå ðàçäåëîâ â ïîðÿäêå íàïîìèíà-

íèÿ áóäóò èçëîæåíû íåêîòîðûå îáùèå âîïðîñû ñî ññûëêàìè íà

äîñòóïíûå ó÷åáíèêè. Ñïèñîê ðåêîìåíäóåìîé ëèòåðàòóðû ïîìåùåí

â êîíöå êàæäîé ãëàâû, óêàçàíû îñíîâíûå èñòî÷íèêè (îòå÷åñòâåí-

íûå ìîíîãðàôèè è îáçîðû), â êà÷åñòâå äîïîëíèòåëüíûõ  ñòàòüè

â îòå÷åñòâåííûõ è çàðóáåæíûõ íàó÷íûõ æóðíàëàõ. Åñòåñòâåííî,

÷òî öèòèðîâàíèå íîñèò âûáîðî÷íûé õàðàêòåð è íå ïðåòåíäóåò íà

ïîëíîòó.

Âàæíî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî òàêèå ðàçäåëû, êàê òåõíîëîãèÿ íàíî-

ìàòåðèàëîâ è èõ ïðèìåíåíèå (íå ãîâîðÿ î ôèçè÷åñêèõ, õèìè÷å-

ñêèõ è áèîëîãè÷åñêèõ àñïåêòàõ íàíîòåõíîëîãèè è êîìïüþòåðíîì

ìîäåëèðîâàíèè ýòèõ ïðîöåññîâ), çàñëóæèâàþò îòäåëüíîãî ïîäðîá-

íîãî èçëîæåíèÿ. Â íàøåì ïîñîáèè ýòè ñâåäåíèÿ ïðåäñòàâëåíû êîí-

ñïåêòèâíî, ÷òîáû ñâÿçàòü õîòÿ áû â îáùåì âèäå îñíîâíûå ïðåä-

ñòàâëåíèÿ î íàíîìàòåðèàëàõ ñ äðóãèìè íàïðàâëåíèÿìè íàíîòåõ-

íîëîãèè.

Àâòîðû ïðèçíàòåëüíû ïðîôåññîðàì Å. Ô.Øåêà, Ì.Â. Àñòàõî-

âó, À. Ì.Ãëåçåðó, À. À.Ãîðáàöåâè÷ó, Þ. Â. Ëåâèíñêîìó, À.Ä. Ïî-

ìîãàéëî, ÷ëåíó-êîððåñïîíäåíòó ÐÀÍ Å. Â. Þðòîâó çà öåííûå çà-

ìå÷àíèÿ è êîíñòðóêòèâíîå îáñóæäåíèå ðóêîïèñè.

Â ïîñîáèè îòðàæåíû èññëåäîâàòåëüñêèå ðàáîòû àâòîðîâ, âû-

ïîëíåííûå â ðåçóëüòàòå ìíîãîëåòíåãî è ýôôåêòèâíîãî ñîòðóäíè-

÷åñòâà ñ àêàäåìèêîì Íàöèîíàëüíîé àêàäåìèè íàóê Óêðàèíû

Â.Â.Ñêîðîõîäîì, êàíä. õèì. íàóê Ã. Â. Êàëèííèêîâûì è êàíä. ôèç.-

ìàò. íàóê Â.Ñ. Óðáàíîâè÷åì, à òàêæå áëàãîäàðÿ ïîääåðæêå ïðî-

ãðàìì Ðîññèéñêîãî ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, ÍÀÒÎ

(«Íàóêà ðàäè ìèðà»), «Èíòåãðàöèÿ íàóêè è âûñøåãî îáðàçîâàíèÿ

Ðîññèè íà 2002  2006 ãã.», Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê è Íàöèî-

íàëüíîé àêàäåìèè íàóê Óêðàèíû.

ÃËÀÂÀ 1

ÂÂÅÄÅÍÈÅ Â ÍÀÍÎÒÅÕÍÎËÎÃÈÞ

Òåðìèí «íàíîòåõíîëîãèÿ» âïåðâûå áûë èñïîëüçîâàí ÿïîíñêèì

ó÷åíûì Ê.Òàíèãó÷è â 1974 ã. ïðè îáñóæäåíèè ïðîáëåì îáðàáîòêè

õðóïêèõ ìàòåðèàëîâ. Ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå ìàëîðàçìåðíûõ

îáúåêòîâ áûëî ïîä÷åðêíóòî íîáåëåâñêèì ëàóðåàòîì Ð. Ôåéíìà-

íîì â 1959 ã. [15]. Åãî ëåêöèÿ ñ àëëåãîðè÷åñêèì íàçâàíèåì «Âíèçó

ïîëíûì ïîëíî ìåñòà: ïðèãëàøåíèå â íîâûé ìèð ôèçèêè» àêöåí-

òèðîâàëà âíèìàíèå íà âàæíîñòü ðàáîò â îáëàñòè ñæàòèÿ èíôîðìà-

öèè, ñîçäàíèÿ ìèíèàòþðíûõ êîìïüþòåðîâ, äèçàéíà ìàòåðèàëîâ

è óñòðîéñòâ ìåòîäàìè ìîëåêóëÿðíîé àðõèòåêòóðû ñ ó÷åòîì îñî-

áåííîñòåé áèîëîãè÷åñêèõ îáúåêòîâ. Áîëüøèå íàäåæäû âîçëàãàëèñü

íà õèìè÷åñêèé ñèíòåç, ïðè÷åì îòìå÷àëîñü, ÷òî çàêîíû ôèçèêè

íå çàïðåùàþò êîíñòðóèðîâàíèå ìàòåðèàëîâ íà àòîìíî-ìîëåêóëÿð-

íîì óðîâíå.

Íåêîòîðûå èäåè Ð. Ôåéíìàíà áûëè ðàçâèòû Ý. Äðåêñëåðîì

(Ìàññà÷óñåòñêèé òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò, ÑØÀ). Â 1986 ã. âû-

õîäèò åãî êíèãà «Ìàøèíû ñîçèäàíèÿ: ïðèøåñòâèå ýðû íàíîòåõ-

íîëîãèè». Îñíîâûâàÿñü íà áèîëîãè÷åñêèõ ìîäåëÿõ, àâòîð ââåë ïðåä-

ñòàâëåíèÿ î ìîëåêóëÿðíûõ ðîáîòîòåõíè÷åñêèõ ìàøèíàõ. Â ïðîòè-

âîâåñ òðàäèöèîííîìó òåõíîëîãè÷åñêîìó ïîäõîäó «ñâåðõó  âíèç»

(òèïè÷íûé ïðèìåð  èçìåëü÷åíèå) ïðèìåíèòåëüíî ê ìèíèàòþ-

ðèçàöèè èíòåãðàëüíûõ ñõåì áûëî îáðàùåíî âíèìàíèå íà ñòðàòå-

ãèþ «ñíèçó  ââåðõ» (èìååòñÿ â âèäó àòîìíàÿ è ìîëåêóëÿðíàÿ

ñáîðêà, î ÷åì ðàíåå óïîìèíàë Ð. Ôåéíìàí).

Â 1990 ã. â êîìïàíèè IBM ñ ïîìîùüþ ñêàíèðóþùåãî òóííåëü-

íîãî ìèêðîñêîïà (ñì. ïðèë. 3) áûëà ñëîæåíà àááðåâèàòóðà IBM èç

35 êñåíîíîâûõ àòîìîâ íà ãðàíè (110) íèêåëåâîãî ìîíîêðèñòàëëà,

÷òî áëåñòÿùå ïîäòâåðäèëî ðåàëüíîñòü èäåé àòîìíîé àðõèòåêòóðû

è ïðîäåìîíñòðèðîâàëî âîçìîæíîñòè íàíîòåõíîëîãèè. Îáùèå ñâå-

äåíèÿ î íàíîòåõíîëîãèè êðàòêî èçëîæåíû â ïîñîáèè [4].

Ïàðàëëåëüíî ðàçâèâàëèñü è êîíöåïöèè íàíîìàòåðèàëîâ. Âïåð-

âûå îíè áûëè ñôîðìóëèðîâàíû ïðèìåíèòåëüíî ê ìåòàëëè÷åñêèì

ìàòåðèàëàì Ã. Ãëåéòåðîì (1981 ã.); èì æå áûë ââåäåí òåðìèí «íà-

íîêðèñòàëëè÷åñêèå» ìàòåðèàëû, ïîçæå ñòàëè èñïîëüçîâàòüñÿ òà-

êèå òåðìèíû, êàê «íàíîñòðóêòóðíûå», «íàíîôàçíûå», «íàíîêîì-

ïîçèòíûå» è ò. ä. [1, 20]. Ãëàâíàÿ ðîëü ñîãëàñíî ýòîé êîíöåïöèè

áûëà îòâåäåíà ïîâåðõíîñòÿì ðàçäåëà (ãðàíèöàì çåðåí) êàê ôàê-

òîðó, ïîçâîëÿþùåìó ñóùåñòâåííî èçìåíèòü ñâîéñòâà òâåðäûõ òåë

ïóòåì ìîäèôèêàöèè ñòðóêòóðû è ýëåêòðîííîãî ñòðîåíèÿ, à òàêæå

çà ñ÷åò ëåãèðîâàíèÿ õèìè÷åñêèìè ýëåìåíòàìè íåçàâèñèìî îò ðàç-

ìåðîâ èõ àòîìîâ è òèïà õèìè÷åñêîé ñâÿçè. Ã. Ãëåéòåðîì áûë òàêæå

ïðåäëîæåí ìåòîä ïîëó÷åíèÿ íàíîìàòåðèàëîâ, çàêëþ÷àþùèéñÿ â

ñî÷åòàíèè èçãîòîâëåíèÿ óëüòðàäèñïåðñíûõ ïîðîøêîâ ïóòåì èñ-

ïàðåíèÿêîíäåíñàöèè ñ èõ ïîñëåäóþùåé in situ âàêóóìíîé êîí-

ñîëèäàöèåé ïðè âûñîêèõ äàâëåíèÿõ, ÷òî îáåñïå÷èâàëî ïîëó÷åíèå

äèñêîîáðàçíûõ îáðàçöîâ äèàìåòðîì äî 1020 ìì è òîëùèíîé äî

0,10,5 ìì (ñì. äàëåå ðèñ. 4.2).

Ìåòîä Ã.Ãëåéòåðà áûë âçÿò íà âîîðóæåíèå âî ìíîãèõ ñòðàíàõ,

è ðàçíîîáðàçíàÿ èíôîðìàöèÿ î ñâîéñòâàõ íàíîìàòåðèàëîâ ñòàëà

íàêàïëèâàòüñÿ ëàâèíîîáðàçíî. Â íàøåé ñòðàíå îäíà èç ïåðâûõ ðà-

áîò â ýòîì íàïðàâëåíèè áûëà îïóáëèêîâàíà â 1983 ã. [19], ò. å. ïðàê-

òè÷åñêè îäíîâðåìåííî ñ ðàáîòàìè Ã.Ãëåéòåðà. Èñïîëüçóÿ ìåòîä

âûñîêèõ äàâëåíèé äëÿ êîíñîëèäàöèè óëüòðàäèñïåðñíûõ ïîðîø-

êîâ íèêåëÿ ïðè óìåðåííûõ òåìïåðàòóðàõ, àâòîðàì [19] ïîä ðóêî-

âîäñòâîì Â.Í. Ëàïîâêà è Ë.È.Òðóñîâà óäàëîñü ïîëó÷èòü íàíîêðè-

ñòàëëè÷åñêèå îáðàçöû, òâåðäîñòü êîòîðûõ áîëåå ÷åì â äâà ðàçà

ïðåâîñõîäèëà òâåðäîñòü îáû÷íîãî ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî íèêåëÿ.

Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èçó÷åíèå ìàëîðàçìåðíûõ îáúåêòîâ (ïî-

ðîøêîâ, êîëëîèäîâ, êàòàëèçàòîðîâ, öåîëèòîâ, ïèãìåíòîâ, ïëå-

íîê, êëàñòåðîâ è äð.) è êâàíòîâûõ ðàçìåðíûõ ÿâëåíèé íà÷àëîñü

çàäîëãî äî «íàíîáóìà» (ñì., íàïðèìåð, [1, 2, 610, 14, 16  18]).

Áîëåå òîãî, àðõåîëîãè÷åñêèå íàõîäêè ñâèäåòåëüñòâóþò î ñóùåñòâî-

âàíèè ðåöåïòóð ïðèãîòîâëåíèÿ êîëëîèäíûõ ñèñòåì åùå â àíòè÷-

íîì ìèðå. «Êèòàéñêèå ÷åðíèëà»

, íàïðèìåð, ïîÿâèëèñü áîëåå ÷å-

òûðåõ òûñÿ÷ ëåò íàçàä â Äðåâíåì Åãèïòå, à âîçðàñò áèîëîãè÷åñêèõ

íàíîîáúåêòîâ ìîæåò èñ÷èñëÿòüñÿ ñ ìîìåíòà âîçíèêíîâåíèÿ æèç-

íè íà Çåìëå.

Íàó÷íûå èññëåäîâàíèÿ íàíîîáúåêòîâ

íà÷èíàþòñÿ â XIX â.,

êîãäà Ì. Ôàðàäåé (1856  1857 ãã.) ïîëó÷àåò è èññëåäóåò ñâîéñòâà

êîëëîèäíûõ ðàñòâîðîâ âûñîêîäèñïåðñíîãî çîëîòà è òîíêèõ ïëå-

Êîëëîèäíûé ðàñòâîð ñàæè â âîäå ñ äîáàâêàìè ãóììèàðàáèêà; ïîñëåäíèå

ñïîñîáñòâóþò ïðåäîòâðàùåíèþ àãëîìåðàöèè äèñïåðñíûõ ÷àñòèö ñàæè è èõ îñå-

äàíèÿ, ñòàáèëèçèðóÿ ñâîéñòâà ÷åðíèë âî âðåìåíè.

Èíòåðåñíûå ïðèìåðû íàíîòåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîçðåíèé XIX â. ìîæíî óñ-

ìîòðåòü òàêæå â òàê íàçûâàåìîì «äåìîíå» Ä.Ìàêñâåëëà, ðàçäåëÿþùåì ìîëåêóëû

ïî ñêîðîñòÿì, è â ëåñêîâñêîì Ëåâøå, êîòîðûé ñòàðûì ñïîñîáîì «ñâåðõó  âíèç»

èçãîòîâèë «íàíîãâîçäè» è ïîäêîâàë èìè «àãëèöêóþ» áëîõó (ñâîåîáðàçíûé àíà-

ëîã ìèêðîóñòðîéñòâà). Óñòàìè Ëåâøè Í. Ñ. Ëåñêîâ îòìå÷àåò â 1881 ã. (!), ÷òî ðàç-

ãëÿäåòü íàäïèñü íà ãîëîâêå ýòèõ ãâîçäåé ìîæíî òîëüêî â ìåëêîñêîï (ò.å. ìèêðî-

ñêîï) ñ óâåëè÷åíèåì â 5 000 000 ðàç. Ýòî òèïè÷íîå (!) óâåëè÷åíèå ñîâðåìåííûõ

âûñîêîðàçðåøàþùèõ ïðîñâå÷èâàþùèõ ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ, èñïîëüçóåìûõ

äëÿ èçó÷åíèÿ íàíîñòðóêòóð.

íîê íà åãî îñíîâå. Îòìå÷åííîå Ì. Ôàðàäååì èçìåíåíèå öâåòà â

çàâèñèìîñòè îò ðàçìåðà ÷àñòèö  åäâà ëè íå ïåðâûé ïðèìåð èñ-

ñëåäîâàíèÿ ðàçìåðíûõ ýôôåêòîâ â íàíîîáúåêòàõ. Øèðîêèé èíòå-

ðåñ, êîòîðûé ïðîÿâëÿåòñÿ ê íèì â ïîñëåäíåå âðåìÿ, îáóñëîâëåí,

ïî êðàéíåé ìåðå, òðåìÿ îáñòîÿòåëüñòâàìè.

Âî-ïåðâûõ, ìåòîäû íàíîòåõíîëîãèè ïîçâîëÿþò ïîëó÷èòü ïðèí-

öèïèàëüíî íîâûå óñòðîéñòâà è ìàòåðèàëû ñ õàðàêòåðèñòèêàìè,

çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿùèìè èõ ñîâðåìåííûé óðîâåíü, ÷òî âåñü-

ìà âàæíî äëÿ èíòåíñèâíîãî ðàçâèòèÿ ìíîãèõ îáëàñòåé òåõíèêè,

áèîòåõíîëîãèè, ìåäèöèíû, îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû, îáîðîíû

è ò. ä.

Âî-âòîðûõ, íàíîòåõíîëîãèÿ îêàçàëàñü âåñüìà øèðîêèì ìåæ-

äèñöèïëèíàðíûì íàïðàâëåíèåì, îáúåäèíÿþùèì ñïåöèàëèñòîâ â

îáëàñòè ôèçèêè, õèìèè, ìàòåðèàëîâåäåíèÿ, áèîëîãèè, ìåäèöè-

íû, òåõíîëîãèè, íàóê î Çåìëå, êîìïüþòåðíîé òåõíèêè, ýêîíî-

ìèêè, ñîöèîëîãèè è äð. Íàêîíåö, â-òðåòüèõ, ðåøåíèå ïðîáëåì

íàíîòåõíîëîãèè âûÿâèëî ìíîãî ïðîáåëîâ êàê â ôóíäàìåíòàëüíûõ,

òàê è â òåõíîëîãè÷åñêèõ çíàíèÿõ, ÷òî îïÿòü-òàêè ñïîñîáñòâîâàëî

êîíöåíòðàöèè âíèìàíèÿ íàó÷íî-èíæåíåðíîãî ñîîáùåñòâà â ýòîì

íàïðàâëåíèè.

Âî ìíîãèõ ñòðàíàõ (ÑØÀ, Îáúåäèíåííàÿ Åâðîïà, ßïîíèÿ,

Êèòàé è äð.) ïðèíÿòû íàöèîíàëüíûå ïðîãðàììû, ïðåäóñìàòðè-

âàþùèå èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâà-

íèé è ðàçðàáîòîê. Áîëüøîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ è ïîäãîòîâêå êàä-

ðîâ.

Äàëåå ïåðå÷èñëåíû ëèøü íåêîòîðûå èç ïðèîðèòåòíûõ íàïðàâ-

ëåíèé íàíîòåõíîëîãèè, ðàçðàáàòûâàþùèõ íîâûå ïåðñïåêòèâíûå

ìåòîäû, ìàòåðèàëû è óñòðîéñòâà:

· ìîëåêóëÿðíûé äèçàéí ìàòåðèàëîâ è âåùåñòâ ñ çàäàííûìè

ñâîéñòâàìè, çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäÿùèìè ñâîéñòâà èõ ñîâðåìåí-

íûõ àíàëîãîâ;

· íàíîïðîöåññîðû ñ íèçêèì óðîâíåì ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ è ñó-

ùåñòâåííî áîëåå âûñîêîé ïðîèçâîäèòåëüíîñòüþ;

· íåáîëüøèå ïî ðàçìåðó çàïîìèíàþùèå óñòðîéñòâà ñ îãðîì-

íûì (ìóëüòèòåðàáèòíûì) îáúåìîì ïàìÿòè;

· íîâûå ëåêàðñòâåííûå ïðåïàðàòû è ìåòîäû èõ ââåäåíèÿ â îðãà-

íèçì (ïðîáëåìû ñâåðõìàëûõ äîç è èõ àäðåñíîé äîñòàâêè);

· íîâûå ìåòîäû ìîíèòîðèíãà îêðóæàþùåé ñðåäû è îðãàíèçìà

÷åëîâåêà ñ èñïîëüçîâàíèåì íàíîñåíñîðîâ.

Ïî îöåíêàì, îáîðîò ìèðîâîãî ðûíêà ïðîäóêöèè íàíîòåõíîëî-

ãèè â 2002 ã. ñîñòàâëÿë îêîëî 300 ìëðä äîëë. ÑØÀ. Ïî ïðîãíîçàì

[10], ÷åðåç 1015 ëåò åæåãîäíûé ðûíîê ïðîäóêöèè íàíîòåõíîëî-

ãèè ñîñòàâèò îêîëî 1 òðëí äîëë. ÑØÀ, âêëþ÷àÿ 340 ìëðä äîëë. â

ñôåðå íîâûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû òðàäè-

öèîííûìè ìåòîäàìè; 300 ìëðä äîëë. â îáëàñòè ïîëóïðîâîäíèêî-

âîé ïðîìûøëåííîñòè; 180 ìëðä äîëë. â îáëàñòè ôàðìàöåâòèêè;

100 ìëðä äîëë. äëÿ êàòàëèçàòîðîâ â íåôòåõèìè÷åñêîé ïðîìûø-

ëåííîñòè; 100 ìëðä äîëë. â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû è

ñîõðàíåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ ðåñóðñîâ; 70 ìëðä äîëë. â îáëàñòè òðàíñ-

ïîðòà.

Çà ïðîøåäøèå áîëåå äâàäöàòè ëåò èäåè íàíîòåõíîëîãèè è ñàìî

ñîäåðæàíèå ïîíÿòèÿ «íàíîìàòåðèàëû» ïîëó÷èëè äàëüíåéøåå ðàç-

âèòèå [1].

Ñâåäåíèÿ î òåõíîëîãèè, ñòðóêòóðå, ñâîéñòâàõ è ïðèìåíåíèè

íàíîìàòåðèàëîâ è íàíîñòðóêòóð èçëîæåíû â íåñêîëüêèõ ìîíîãðà-

ôèÿõ (ñì., íàïðèìåð, [3, 5 7, 11  13, 16, 18, 21]). Îäíàêî â ýòèõ

ìîíîãðàôèÿõ â îñíîâíîì ïðèâåäåíî ëèøü îïèñàíèå îòäåëüíûõ

íàíîìàòåðèàëîâ è íå îòðàæåíû â ïîëíîé ìåðå îñîáåííîñòè ñî-

âðåìåííîãî íàíîñòðóêòóðíîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ â öåëîì.

Ñðåäè íàíîìàòåðèàëîâ ìîæíî âûäåëèòü íåñêîëüêî îñíîâíûõ

ðàçíîâèäíîñòåé: êîíñîëèäèðîâàííûå íàíîìàòåðèàëû, íàíîïîëó-

ïðîâîäíèêè, íàíîïîëèìåðû, íàíîáèîìàòåðèàëû, ôóëëåðåíû è

òóáóëÿðíûå íàíîñòðóêòóðû, êàòàëèçàòîðû, íàíîïîðèñòûå ìàòå-

ðèàëû è ñóïðàìîëåêóëÿðíûå ñòðóêòóðû.

Ýòî ðàçäåëåíèå âåñüìà óñëîâíî, ïîñêîëüêó ñóùåñòâóþò, íà-

ïðèìåð, ãèáðèäíûå ìåòàëëîïîëèìåðíûå èëè áèîïîëèìåðíûå íà-

íîêîìïîçèòû. Ïðè÷åì â êëàññ íàíîìàòåðèàëîâ âõîäÿò êàê íîâûå

(íàïðèìåð, íàíîòðóá÷àòûì ìàòåðèàëàì âñåãî ëèøü îêîëî 20 ëåò),

òàê è äîâîëüíî ñòàðûå îáúåêòû (íàïðèìåð, êàòàëèçàòîðû è íàíî-

ïîðèñòûå ìàòåðèàëû).

Ê êîíñîëèäèðîâàííûì íàíîìàòåðèàëàì îòíîñÿò êîìïàêòû, ïëåí-

êè è ïîêðûòèÿ èç ìåòàëëîâ, ñïëàâîâ è ñîåäèíåíèé, ïîëó÷àåìûå

ìåòîäàìè ïîðîøêîâîé òåõíîëîãèè, èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé

äåôîðìàöèè, êîíòðîëèðóåìîé êðèñòàëëèçàöèè èç àìîðôíîãî ñî-

ñòîÿíèÿ è ðàçíîîáðàçíûìè ïðèåìàìè íàíåñåíèÿ ïëåíîê è ïî-

êðûòèé.

Íàíîçåðíà (íàíîêðèñòàëëèòû) ýòèõ ìàòåðèàëîâ íàõîäÿòñÿ íå â

èçîëèðîâàííîì (ò. å. â âèäå îòäåëüíûõ îáðàçîâàíèé) èëè ñëàáî-

ñâÿçàííîì (íàïðèìåð, íàíî÷àñòèöû ñ çàùèòíûìè ïîëèìåðíûìè

îáîëî÷êàìè) âèäå, à â êîíñîëèäèðîâàííîì ñîñòîÿíèè. Ïðî÷íîñòü

ìåæçåðåííûõ ïðîñëîåê â êîíñîëèäèðîâàííûõ íàíîìàòåðèàëàõ äî-

âîëüíî âûñîêà.

Íàíîïîëóïðîâîäíèêè, íàíîïîëèìåðû è íàíîáèîìàòåðèàëû ìîãóò

áûòü êàê â èçîëèðîâàííîì, òàê è ÷àñòè÷íî â êîíñîëèäèðîâàííîì

ñîñòîÿíèè, îáðàçóÿ òàêæå ãèáðèäíûå (ñìåøàííûå) ìàòåðèàëû.

Ôóëëåðåíû è òóáóëÿðíûå íàíîñòðóêòóðû ñòàëè ïðåäìåòîì ìíî-

ãî÷èñëåííûõ èññëåäîâàíèé, íà÷èíàÿ ñ 1985 ã., êîãäà áûëà èäåí-

òèôèöèðîâàíà íîâàÿ àëëîòðîïíàÿ ôîðìà óãëåðîäà  êëàñòåðû Ñ

è Ñ

, íàçâàííûå ôóëëåðåíàìè (ðàáîòû íîáåëåâñêèõ ëàóðåàòîâ

Í.Êðîòî, Ð. Êåðëó è Ð. Ñìîëëè), è îñîáåííî ñ 1991 ã., êîãäà ÿïîí-

ñêèé ó÷åíûé Ñ.Èøèìà îáíàðóæèë óãëåðîäíûå íàíîòðóáêè â ïðî-

äóêòàõ ýëåêòðîäóãîâîãî èñïàðåíèÿ ãðàôèòà.

Îáúåêòû òèïà ôóëëåðåíîâ è íàíîòðóáîê íàáëþäàëèñü è ðàíåå,

ïîäðîáíî èñòîðèÿ èõ îòêðûòèÿ è ðåçóëüòàòû èçó÷åíèÿ èçëîæåíû

â ìîíîãðàôèè [18].

Íàíîïîðèñòûå

ìàòåðèàëû õàðàêòåðèçóþòñÿ ðàçìåðîì ïîð, êàê

ïðàâèëî, ìåíåå 100 íì. Êàòàëèçàòîðû  òàêæå îäèí èç ïðèìåðîâ

äàâíî èññëåäóåìûõ è øèðîêî ïðèìåíÿåìûõ íàíîîáúåêòîâ. Íàêî-

íåö, ñóïðàìîëåêóëÿðíûå ñòðóêòóðû  ýòî íàíîñòðóêòóðû, ïîëó÷à-

åìûå â ðåçóëüòàòå òàê íàçûâàåìîãî íåêîâàëåíòíîãî ñèíòåçà ñ îá-

ðàçîâàíèåì ñëàáûõ (âàí-äåð-âààëüñîâûõ, âîäîðîäíûõ è äð.) ñâÿ-

çåé ìåæäó ìîëåêóëàìè è èõ àíñàìáëÿìè.

Òàêèì îáðàçîì, ïåðå÷èñëåííûå âèäû íàíîìàòåðèàëîâ âåñüìà

îòëè÷àþòñÿ êàê ïî òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ, òàê è ïî ôóíêöèî-

íàëüíûì ïðèçíàêàì, èõ îáúåäèíÿåò òîëüêî õàðàêòåðíûé ìàëûé

ðàçìåð ÷àñòèö, çåðåí, òðóáîê, ïîð, îïðåäåëÿþùèé ñòðóêòóðó è

ñâîéñòâà. Ìèíèìàëüíûé ðàçìåð ñòðóêòóðíûõ ýëåìåíòîâ ñîñòàâëÿ-

åò (0,1 - 1,0) · 10

-9

íì, ò. å. ïî ñóùåñòâó îòâå÷àåò ðàçìåðàì îòäåëü-

íûõ àòîìîâ è ìîëåêóë, ìàêñèìàëüíûé ðàçìåð  100 íì  óñòà-

íîâëåí óñëîâíî.

Èíîãäà âûñêàçûâàåòñÿ ìíåíèå, ÷òî âåðõíèé ïðåäåë (ìàêñè-

ìàëüíûé ðàçìåð ýëåìåíòîâ) íàíîêðèñòàëëè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ

äîëæåí áûòü ñâÿçàí ñ êàêèì-ëèáî õàðàêòåðíûì ôèçè÷åñêèì ïàðà-

ìåòðîì  äëèíîé ñâîáîäíîãî ïðîáåãà íîñèòåëÿ, äèàìåòðîì ïåòëè

ÔðàíêàÐèäà äëÿ ñêîëüæåíèÿ äèñëîêàöèé, ðàçìåðîì äîìåíà èëè

äîìåííîé ñòåíêè è, íàêîíåö, äëèíîé âîëíû ýëåêòðîíà äå Áðîéëÿ.

Îäíàêî äèàïàçîí èçìåíåíèÿ ýòèõ õàðàêòåðíûõ ôèçè÷åñêèõ ïàðà-

ìåòðîâ, îïðåäåëÿþùèõ ýëåêòðè÷åñêèå, ìàãíèòíûå, äåôîðìàöè-

îííûå è äðóãèå ñâîéñòâà ïðèìåíèòåëüíî ê ðàçíîîáðàçíûì òâåð-

äîòåëüíûì îáúåêòàì, âåñüìà øèðîê è óñòàíîâèòü êàêîé-ëèáî åäè-

íûé âåðõíèé ïðåäåë íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì.

Îñîáî ñëåäóåò ñêàçàòü î íåêîòîðûõ òåðìèíîëîãè÷åñêèõ îñîáåí-

íîñòÿõ. Áîëüøîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè òàêèå òåðìèíû ñ ïðè-

ñòàâêîé «íàíî», êàê «íàíîòåõíîëîãèÿ», «íàíîýëåêòðîíèêà», «íà-

íîõèìèÿ» [2, 13]. Â àìåðèêàíñêîé ëèòåðàòóðå [10] ïîíÿòèå «íàíî-

òåõíîëîãèÿ» ïðèíÿòî îïðåäåëÿòü êàê óìåíèå öåëåíàïðàâëåííî

ñîçäàâàòü è èñïîëüçîâàòü ìàòåðèàëû, óñòðîéñòâà è ñèñòåìû, ñòðóê-

òóðíûå ýëåìåíòû êîòîðûõ èìåþò ðàçìåð ïðèáëèçèòåëüíî 1  100 íì.

Íàóêà î ìàëîðàçìåðíûõ îáúåêòàõ (nanoscience)  ýòî ñîâîêóïíîñòü

çíàíèé î ñâîéñòâàõ âåùåñòâ è ÿâëåíèé â íàíîìåòðîâîì ìàñøòàáå.

Íàíî÷àñòèöû (íàíîïîðîøêè)  ýòî ìàëîðàçìåðíûå òâåðäûå

âåùåñòâà, ãåîìåòðè÷åñêèé ðàçìåð êîòîðûõ èçìåíÿåòñÿ îò äåñÿòûõ

äîëåé äî 100 íì. Ïîíÿòèÿ «íàíî÷àñòèöû» è «íàíîïîðîøêè» âî

ìíîãîì ïåðåêðûâàþòñÿ, íî, êîíå÷íî, ñëåäóåò èìåòü â âèäó âîç-

Â îòå÷åñòâåííîé è çàðóáåæíîé ëèòåðàòóðå äëÿ ýòèõ ìàòåðèàëîâ âñòðå÷àþòñÿ

è äðóãèå íàçâàíèÿ: ìèêðîïîðèñòûå (ðàçìåð ïîð ìåíåå 2 íì), ìåçîïîðèñòûå (ðàç-

ìåð ïîð 2 5 íì) è ìàêðîïîðèñòûå (ïîðû áîëåå 5 íì)  ñîãëàñíî ñòàðîé íîìåí-

êëàòóðå Ìåæäóíàðîäíîãî ñîþçà òåîðåòè÷åñêîé è ïðèêëàäíîé õèìèè (1972 ã.).