Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

nanoscience
) по-
нятия о наноматериалах и нанотехнологиях в научной и в особенно-
сти популярной литературе постоянно расширяются и приобретают 
все новые, а часто и ошибочные оттенки. В связи с этим в начале кур-
са необходимо сравнить понятие о наноматериале и других близких, 
а иногда и родственных понятиях.
Часто наноматериалами называют все материалы, строительные 
блоки в которых имеют размер от 1 до 100 нм. В этом случае суть тер-
мина «наноматериал» сужена до простой констатации размера блоков, 
и становится непонятным, почему появление нанотехнологий сравни-
вают с новой революцией в технике, наступающей вслед за промыш-
ленной революцией XVI–XVII веков. Следовательно, в понятие о на-
номатериале необходимо включать не только размер строительных 

---

5
Введение
блоков, но и то скачкообразное изменение свойств вещества, кото-
рое происходит в наноматериале благодаря малому размеру состав-
ляющих его блоков.
Необходимо учитывать, что понятие о наноматериале отличает-
ся от таких широко известных и распространенных понятий, как вы-
сокодисперсные системы, ультрамелкозернистые, сверхмелкозерни-
стые или сверхтонкие вещества. Отличие связано с тем, что понятие 
о наноматериале включает в себя количественную характеристику: 
размер частиц, зерен или строительных блоков отражен приставкой 
нано
, которая означает 
нанометр
(10
–9
м), т. е. конкретный масштаб 
размеров. В вышеперечисленных понятиях характеристика разме-
ра строительных блоков отражается лишь относительно — 
ультра-
или 
сверх
малый размер, поэтому такие понятия не являются количе-
ственными.
Понятие о наноматериале отличается и от другого широко рас-
пространенного понятия о субмикрокристаллическом материале. 
Свойства субмикрокристаллических материалов, так же как и свой-
ства наноматериалов, отличаются от свойств крупнокристалличе-
ских, крупнозернистых и монокристаллических материалов. Однако 
отличие свойств связано с повышенной удельной поверхностью, что 
приводит к ускорению различных процессов, например химических 
реакций, но не приводит к уменьшению энергии активации процес-
сов, т. е. к снижению минимальных температур начала атомных про-
цессов. В субмикрокристаллических материалах размер частиц, зерен 
или строительных блоков предполагается меньшим микрометра. Ми-
крометр, как и нанометр, является количественной характеристикой, 
однако между 
нано
материалами и 
субмикро
кристаллическими мате-
риалами существует принципиальная разница. Именно наносостоя-
ние, а не субмикрокристаллическое состояние, является промежуточ-
ным между молекулярным и твердотельным состояниями. Именно 
на нанометровых расстояниях формируются свойства твердого тела. 
В этом же заключается и физическая причина того, что значительное 
изменение свойств наблюдается в нанометровом режиме. Дело в том, 
что расстояние, на котором действуют основные силы взаимодействия 
в веществе, варьируется в диапазоне от одного до нескольких десят-
ков нанометров. Необходимо отметить, что разные типы взаимодей-
ствия: электрон-электронные, электрон-фононные, фонон-фонон-

---

6
Введение
ные, магнон-магнонные и т. д. — простираются на разные расстояния 
в одном и том же веществе. В связи с этим проявление наноэффек-
тов на разных свойствах в конкретном веществе может происходить 
при различных размерах наночастиц. Понятно, что ни о каком маги-
ческом значении размера наночастиц как для одного и того же, так 
и для разных веществ говорить не приходится.
Наноматериалы часто называют 
нанокристаллическими
мате-
риалами. Это тоже не всегда оправданно. Понятие о нанокристалли-
ческом материале включает в себя то, что строительные блоки таких 
материалов — частицы или зерна — являются кристаллами. Однако 
наноматериалы, как правило, являются термодинамически нерав-
новесными системами, а значит, и их строительные блоки не обя-
зательно обладают хорошей кристаллической структурой, скорее, 
наоборот. Строительные блоки в наноматериалах имеют сильно де-
фектную структуру, часто приближенную к аморфному состоянию. 
Другими словами, в строительных блоках большинства наноматериа-
лов дальний порядок сильно нарушен, а роль многочастичных корре-
ляций в расположении атомов берет на себя ближний порядок. В связи 
с этим часто и оправданно используют более точное и полное назва-
ние наноматериалов — 
наноструктурированные материалы
.
Наноматериалы многообразны, поэтому существуют различные 
типы их классификации. Наиболее удачная классификация наномате-
риалов выполняется по размерности строительных блоков или струк-
турных элементов, из которых они состоят. Основными типами нано-
кристаллических материалов по размерности являются нульмерные 
(0D), одномерные (1D), двухмерные (2D) и трехмерные (3D) нано-
материалы.
К нульмерным наноматериалам относят нанокластерные мате-
риалы и нанодисперсии (суспензии, коллоидные растворы), т. е. та-
кие материалы, в которых наночастицы изолированы друг от друга. 
К одномерным наноматериалам относят нановолоконные (нанопрут-
ковые) и нанотубулярные материалы. Причем длина волокон (прут-
ков) или трубок может составлять от 100 нм до десятков микроме-
тров. К двухмерным наноматериалам относят пленки с нанометровой 
толщиной. Часто наночастицы в 0D, 1D и 2D наноматериалах распо-
ложены в какой-либо жидкой или твердой матрице или находятся 
на подложке. К трехмерным наноматериалам относят порошки, во-

---

7
локонные, многослойные и поликристаллические материалы, в ко-
торых 0D, 1D и 2D частицы плотно прилегают друг к другу, образуя 
между собой поверхности раздела — интерфейсы. Важным примером 
трехмерного наноматериала является поликристалл с нанометровым 
размером зерен. В таком трехмерном наноматериале весь объем за-
полняется нанозернами, а свободная поверхность зерен практически 
отсутствует, имеются только границы раздела между зернами — ин-
терфейсы. Образование интерфейсов и «исчезновение» поверхности 
наночастиц в трехмерных наноматериалах принципиально важно для 
проявления свойств.
Действительно, свойства сильно агломерированного нанопорош-
ка могут существенно отличаться от свойств компактного нанома-
териала, состоящего из частиц такого же размера, как и в порошке. 
Получению именно таких наноматериалов в последние два десятиле-
тия уделялось огромное внимание. Именно такие трехмерные нано-
материалы будут применяться в твердосплавной промышленности, 
авиастроении и других областях. Применение нульмерных нанома-
териалов следует ожидать в медицине и биологии, а также в нано-
электронике. Одномерные и двухмерных материалы уже с успехом 
используются в наноэлектронике, нанофотонике и т. д.

---

8