Анищик В.М., Борисенко В.Е., Жданок С.А., Толочко Н.К., Федосюк В.М. Наноматериалы и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие………………………………………………………………

Глава 1. Общая характеристика наноматериалов и нанотехнологий

1.1. Основные понятия и определения…………………………………

1.2. Разновидности наноматериалов ………………….....……………

1.3. Фундаментальные электронные явления в наноструктурах ……

1.3.1. Квантовое ограничение………………………………………

1.3.2. Баллистический транспорт носителей заряда………………

1.3.3. Туннельные эффекты …………………………………………

1.3.4. Спиновые эффекты ……………………………………………

1.4. Разновидности нанотехнологий…………………………………….

1.5. Области применения наноматериалов и нанотехнологий ………

1.6. История развития наноматериалов и нанотехнологий …..……….

Глава 2. Методы исследования наноматериалов ………..………….…

2.1. Просвечивающая электронная микроскопия………………………

2.2. Автоэлектронная и автоионная микроскопия……………………

2.3. Зондовая микроскопия…………………………………………….

2.3.1. Сканирующая электронная микроскопия……………………

2.3.2. Сканирующая туннельная микроскопия……………………

2.3.3. Атомно-силовая микроскопия………………………………

2.3.4. Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля……

2.4. Дифракционный анализ…………………………………………….

2.4.1. Рентгеновская дифракция…………………………………….

2.4.2. Дифракция электронов……………………………………….

2.5. Спектральный анализ………………………………………………

2.5.1. Рентгеновская спектроскопия…………………………………

2.5.2. Оже-спектроскопия……………………………………………

2.5.3. Фотоэлектронная спектроскопия…………………………….

2.5.4. Инфракрасная спектроскопия…………………………………

2.5.5. Комбинационное рассеяние света……………………………

2.5.6. Люминесцентный анализ………………………………………

2.5.7. Радиоспектроскопия…………………………………………..

2.5.8. Мессбауэровская спектроскопия……………………………..

Глава 3. Технологии получения наноматериалов и наноструктур …

3.1. Процессы самоорганизации в нанотехнологиях…………………

3.2. Зондовые нанотехнологии…………………………………………

3.2.1. Атомная инженерия……………………………………………

3.2.2. Локальное окисление металлов и полупроводников………

3.2.3. Локальное химическое осаждение из газовой фазы…………

3.2.4. Лазерное наноманипулирование………………………………

3.3. Нанолитография…………………………………………………….

3.4.1. Электронно-лучевая литография……………………………

3.3.2. Профилирование резистов сканирующими зондами………

3.3.3. Нанопечать……………………………………………………..

3.3.4. Сравнение нанолитографических методов…………………

Глава 4. Нанокластеры и нанокристаллы……………………………

4.1. Нанокластеры

4.1.1. Упорядоченные нанокластеры………………………………

4.1.2. Неупорядоченные нанокластеры и нижний предел

нанокристалличности…………………………………………………….

4.2. Нанокристаллы………………………………………………………

4.2.1. Неорганические нанокристаллы………………………………

4.2.2. Органические нанокристаллы……………………………….

Глава 5. Фуллерены и нанотрубки…..........……………………………

5.1. Полиморфизм углерода…………………………………………….

5.2. Фуллерены…………………………………………………………

5.2.1. Фуллерен С

и его аналоги……………………………………

5.2.2. Заполненные фуллерены………………………………………

5.2.3. Фуллереновые аддукты………………………………………

5.2.4. Гетерофуллерены………………………………………………

5.2.5. Фуллереноподобные нанокластеры…………………………

5.2.6. Углеродные луковицы…………………………………………

5.3. Нанотрубки…………………………………………………………

5.3.1. Углеродные нанотрубки……………………………………..

5.3.2. Заполненные углеродные нанотрубки……………………….

5.3.3. Неуглеродные нанотрубки……………………………………

Глава 6. Молекулярные наноструктуры……………..…………………

6.1. Органические молекулы…………………………………………….

6.2. Супермолекулы……………………………………………………

6.3. Биомолекулы …………………………………………………….…..

103

104

105

107

110

111

114

118

123

126

140

142

144

148

152

156

157

158

160

189

192

193

199

204

6.2.1. Нуклеиновые кислоты……………………………… ……….

6.2.2. Белки……………………………………………………………

6.2.3. Ферменты……………………………………………………….

6.2.4. Биомолекулярные комплексы………………………………..

6.5. Мицеллы и липосомы………………………………………………

Глава 7. Консолидированные наноматериалы………….……………

7.1. Нанокристаллические материалы………………………………….

7.2. Фуллериты…………………………………………………………

7.3. Фотонные кристаллы………………………………………………

7.4. Нанокомпозиты……………………………………………………

7.4.1. Матричные нанокомпозиты…………………………………

7.4.2. Сверхрешетки………………………………………………….

7.5. Нанопористые материалы ………………………….........................

7.5.1. Нанопористые мембраны……………………...........................

7.5.2. Цеолиты……………………………………………....................

7.5.3. Пористый кремний…………………………………………….

7.5.4. Пористый оксид алюминия………………………....................

7.6. Наноаэрогели…………………………………..…………………….

Глава 8. Нанопленки и нанопроволоки ……….………………………..

8.1. Полупроводниковые нанопленки и нанопроволоки………………

8.2. Магнитные нанопленки и нанопроволоки…………………………

8.3. Алмазоподобные и керамические нанопленки…….……………

8.4. Пленки Лэнгмюра-Блоджетт………………………………………..

8.5. Металлические нанопроволоки…………………………………...

Глава 9. Наносуспензии, наноэмульсии и наноаэрозоли………….…..

9.1. Наносуспензии………………………………………………………

9.1.1. Смазочные наносуспензии……………………………………

9.1.2. Магнитные наносуспензии……………………………………

9.1.3. Лекарственные наносуспензии……………………………….

9.2. Наноэмульсии……………………………………………………….

9.3. Наноаэрозоли………………………………………………………..

Литература…………………………………………………………………

207

209

216

218

222

228

237

242

246

247

257

261

262

269

275

280

292

294

295

312

329

330

336

340

341

351

356

361

362

364

ПРЕДИСЛОВИЕ

Интенсивные исследования и разработки в области нанотехнологий, начав-

шиеся на рубеже XX-XXI веков, стали причиной происходящих ныне карди-

нальных изменений в характере промышленного производства, привели к ка-

чественному скачку в развитии методов и средств переработки и преобразо-

вания информации, энергии и вещества на основе освоения принципиально

новых научных подходов к познанию материи. Поэтому не случайно начало

XXI века связывают с наступлением нанотехнологической революции, кото-

рая уже сейчас оказывает заметное влияние на жизнь общества.

Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия использования

наноматериалов, также как в середине ХХ века трудно было предсказать, что

повлекут за собой начавшиеся в то время исследования и разработки в облас-

ти электроники и информатики.

Эффективность дальнейшего развития нанонауки и на базе ее – наноин-

дустрии во многом будет зависеть от того, насколько своевременно и качест-

венно будет осуществляться подготовка специалистов соответствующих

профилей. При этом организация подготовки научных и инженерных кадров

должна иметь ряд особенностей, которые обусловлены следующими основ-

ными причинами.

Во-первых, нанонаука развивается быстрыми темпами. Соответственно,

требуется формирование высокоэффективной системы непрерывного образо-

вания, предусматривающей постоянное обновление содержания учебных

дисциплин с учетом постоянного обновления знаний в сфере нанонауки. Как

следствие, требуется постоянное совершенствование учебно-методической

базы и повышение квалификационного уровня преподавателей.

Во-вторых, нанонаука носит междисциплинарный характер, что предпо-

лагает необходимость вовлечения в единый учебный процесс преподавате-

лей, специализирующихся в различных областях знаний, а также разработки

принципиально новых образовательных стандартов, учебных планов и про-

грамм. При этом необходимо учитывать то обстоятельство, что по мере раз-

вития нанонауки все более будут востребованы специалисты нового типа,

способные работать на стыке различных научно-технических направлений.

Как следствие, со временем будет все более усиливаться наметившаяся в по-

следние годы в университетах ведущих индустриальных стран тенденция со-

кращения объемов подготовки узкоспециализированных исследователей –

”чистых” физиков, химиков, биологов и т.п. и, соотвественно, узкоспециали-

зированных инженеров – ”чистых” металлургов, механиков, энергетиков,

электронщиков и т.п.

Таким образом, на повестку дня становится задача коренной перестрой-

ки системы образования, которую следует проводить опережающими темпа-

ми, для того чтобы вовремя сформировать научно-инженерную среду нового

поколения, способную к активной работе в условиях современного этапа на-

учно-технического прогресса. Для решения данной задачи важно усилить

взаимодействие между университетами, научно-исследовательскими инсти-

тутами и промышленными предприятиями, прежде всего, в части обмена на-

учной информацией, решения вопросов кадрового и материально-

технического обеспечения научно-исследовательского процесса. Особую ак-

туальность приобретает подготовка учебной литературы по нанотехнологи-

ческой тематике.

В предлагаемом учебном пособии впервые предпринята попытка наибо-

лее полно обобщить и систематизировать многочисленные фундаментальные

и прикладные знания по разнообразным наноматериалам и нанотехнологиям.

В первых главах книги дается общая характеристика наноматериалов,

рассматриваются основные методы их исследования и технологии получе-

ния. В последующих главах описываются структура и свойства различных

видов наноматериалов, области их применения, а также особенности получе-

ния.

Монография предназначена для специалистов, работающих в области фи-

зики конденсированного состояния, химии, электроники, а также преподава-

телей и аспирантов естественнонаучных и технических факультетов высших

учебных заведений.

Книга подготовлена коллективом авторов, специализирующихся в раз-

личных областях науки и техники, связанных с исследованием, получением и

применением наноматериалов, в составе: доктора физико-математических на-

ук, профессора В.М. Анищика, доктора технических наук, профессора В.Е.

Борисенко, доктора технических наук, профессора С.А. Жданка, доктора фи-

зико-математических наук, профессора Н.К. Толочко и доктора физико-

математических наук, профессора В.М. Федосюка.

Вклад соавторов в работу над книгой выразился следующим образом: гл.

1 – Н.К. Толочко; гл. 2 – В.М. Анищик, Н.К. Толочко; гл. 3 – В.Е. Борисенко,

Н.К. Толочко; гл. 4 – Н.К. Толочко; гл. 5 – С.А. Жданок, Н.К. Толочко; гл. 6 –

Н.К. Толочко; гл. 7 – В.Е. Борисенко, Н.К. Толочко; гл. 8 – В.Е. Борисенко,

Н.К. Толочко, В.М. Федосюк; гл. 9 – Н.К. Толочко. Кроме того, все соавторы

участвовали в обсуждении концептуальных вопросов подготовки учебного

пособия, связанных с общей схемой его построения и содержанием в целом.

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОМАТЕРИАЛОВ

И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Основные понятия и определения

Быстрые темпы развития исследований и разработок в области наномира и

связанный с этим все возрастающий поток новых научных и технологиче-

ских знаний требуют корректировки и уточнения соответствующего поня-

тийного аппарата, который на сегодняшний день находится в стадии станов-

ления. Основные термины наномира собраны и обобщены в энциклопедиче-

ском формате в книге V. E. Borisenko, S. Ossicini, What is What in the Nano-

world (Wiley-VCH, Weinheim, 2004), 335 p. Следует, однако, заметить, что

довольно часто эти термины даются разными авторами в различных трактов-

ках и вызывают неоднозначное восприятие, что объясняется наличием двух

подходов к их рассмотрению. Согласно первому подходу объекты наномира

рассматриваются с учетом только лишь их наноразмерных параметров, для

которых устанавливаются условные границы возможных изменений. Соглас-

но второму подходу объекты наномира характеризуются особыми свойства-

ми, которые проявляются в силу присущих им наноразмеров.

Приставка «нано» в терминах наномира означает изменение масштаба в

(миллиард) раз: 1 нм (1 нанометр) = 10

-9

м, что составляет одну миллион-

ную миллиметра. В табл. 1 приведены в качестве примера размеры некото-

рых естественных и искусственных объектов в диапазоне размеров от 10 м до

1 А (1А = 10

-10

м, т.е. 1 ангстрем в 10 раз меньше нанометра и соответствует

диаметру самого маленького из атомов – атома водорода).

Принято считать, что к объектам наномира относятся такие объекты, ха-

рактерные размеры которых лежат в пределах от 1 до 100 нм. Вообще говоря,

такое размерное ограничение является довольно условным. Главная особен-

ность нанообъектов состоит в том, что в силу их малости в них проявляются

особые свойства. Во многих случаях эти особые свойства могут проявляться

и тогда, когда размеры нанообъектов превышают условно установленный

предел в 100 нм.