Наноматериаловедение

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в  качестве учебного пособия
для  студентов учреждений
высшего образования 
по техническим специальностям

Минск
«Вышэйшая  школа»

Ï.À. Âèòÿçü  
Í.À. Ñâèäóíîâè÷
Ä.Â. Êóèñ

Íàíîìàòåðèàëîâåäåíèå

УДК 620.22-022.532(075.8)
ББК 30.3я73
 
В54

Ре ц е н з е н т ы: профессор кафедры «Технологии металлов» Государственного учреждения высшего профессионального образования «БелорусскоРоссийский университет» доктор технических наук Ф.Г. Ловшенко; заведующий лабораторией микрокристаллических и аморфных материалов Государственного научного учреждения «Физико-технический институт Национальной 
академии наук Беларуси» доктор технических наук, профессор А.Т. Волочко

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги 
или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Витязь, П. А. 
В54 
 Наноматериаловедение : учеб. пособие / П. А. Витязь,
Н. А. Свидунович, Д. В. Куис. – Минск : Вышэйшая школа, 2015. – 511 с.: ил.
ISBN 978-985-06-2356-0.

Освещены проблемы современного материаловедения. Показано, 
что в настоящее время наноматериаловедение – наиболее перспективная область. Исследования и разработки по наноматериалам и нанотехнологиям являются стратегически важными. С ними связана новая научно-техническая революция – нанореволюция.
Представлены процессы, проходящие на атомно-молекулярном 
уровне. Их изучение открывает новые перспективы развития для всех 
отраслей народного хозяйства, в том числе машиностроительной, медицинской, пищевой, парфюмерной, электронной промышленности и др.
Для студентов технических специальностей учреждений высшего 
образования. Будет полезно инженерам различного профиля.

УДК  620.22-022.532(075.8)
ББК 30.3я73

ISBN 978-985-06-2356-0 
© Витязь П.А., Свидунович Н.А., Куис Д.В., 2015
 
 
 
© Оформление. УП «Издательство “Вы шэй шая школа”», 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение – наука о природе, свойствах и поведении материа лов на основе металлов, неметаллических элементов оксидных систем, неок сидных металлоподобных и неметаллических соединений, а также о законо мерностях процессов их получения, структурообразования, соединения и 
раз рушения. Материаловедение – это наука, устанавливающая 
принципы «кон струирования» и создания новых материалов, 
разработки их технологий и ус тановления областей применения. Таким образом, современное материаловедение – огромный массив знаний, требующий понимания новых разделов 
фундаментальных наук, а также процессов структурообразования и разрушения материалов, проблем анализа и дигностики материалов, методов компьютерного моделирования в материаловедении и др.
В современной науке имеется представление об иерархии 
структурных уровней материалов, которые можно рассматривать как частный случай ие рархии структурных уровней материи в целом, описываемый понятием «квантовая лестница в 
строении материи» (В. Вайсхопф). «Квантовая лестни ца» 
представляет собой последовательность структурных состояний материи, реализуемых путем поэтапного увеличения (или 
уменьшения) передаваемой энергии.
В науке о материалах наиболее важна нижняя часть «квантовой лестни цы». Разнообразие структурных состояний в конденсированных средах (жид кое, аморфное, нанокристаллическое, поликристаллическое, монокристаллическое) позволяет 
гибко и всесторонне с помощью внешних относительно низкоэнергетических воздействий управлять физико-механическими, тепло- и электрофизическими, магнитными, физикохимическими и другими свой ствами материалов. Исходя из 
этого и поставленных задач в Республике Беларусь по получению университетского образования, студенты всех технических специальностей должны иметь теоретические представления о роли электронной (зонной) структуры твердых тел, 
об их электрофизи ческих (включая явления сверхпроводимости, сегнето- и, пироэлектрические свойства) и магнитных 
свойствах, определяемых электронной структурой, и наконец, о дефектах в реальных кристаллах и о теоретической и 

реальной прочности материалов. Наноматериалы – самая 
перспективная область мате риаловедения.
Любая научно-техническая система развивается по определенным за конам: знания накапливаются, затем трансформируются в технологии, кото рые приводят к новым видам производства, и наука, в свою очередь, получа ет новые импульсы. 
Но из-за того, что разные части системы развиваются с разной 
скоростью, возникают естественные «конфликты», которые 
разреша ются переходом системы на качественно новый уровень. Чаще всего подоб ный переход совершается революционным путем. Для примера можно привести замену классической модели мира, созданной во времена И. Ньютона, на квантовую картину мира, которая возникла во многом благодаря 
открыти ям Э. Резерфорда и Н. Бора. Итогом стала научно-техническая революция, получившая название «Атомный проект». От фундаментальных исследова ний перешли к ускорителям, от ускорителей – к атомной бомбе, от атомной бомбы – 
к атомным реакторам. В результате этой научной революции 
появи лись новая наука, новая энергетика, новые виды вооружений и в конечном счете принципиально новое геополитическое лицо мира.
На первом этапе развития все производство состояло из 
отраслевых технологий: деревообработки, добычи полезных 
ископаемых, металлургии и др.
На втором этапе появились более сложные «межотраслевые интегриро ванные» технологии: микроэлектроника, авиация, космонавтика, сложное машиностроение. Однако отраслевой характер экономики сохранялся.
В середине прошлого столетия, когда появилась возможность манипу лировать атомами, молекулами, ученые начали 
конструировать из них новые вещества. Были созданы искусственные материалы, хорошо известные нам сегодня: полупроводниковые кристаллы кремния, германия, арсенида галлия и т.д., диэлектрические кристаллы, в частности лазерные, 
и даже такие мате риалы, которые обладают свойствами, не существующими у природных ве ществ.
Появление нанотехнологий и наноматериалов, составляющих 
основу новой научно-технологической революции, в корне изменит окружающий мир, нашу жизнь. Но в отличие от информационных технологий нано сфера материальна. Нанотехнологии и 
наноматериалы – базовый приори тет для всех существующих 

отраслей, которые изменят и сами информаци онные технологии. 
В этом заключается синергизм новой системы.
В индустриально развитых странах Запада нашествие нанотехнологий началось в конце прошлого столетия. На сегодняшний день уже в 55 странах приняты и выполняются хорошо финансируемые комплексные националь ные программы 
развития наноиндустрии, в которую входят фундаменталь ная 
наука, разработка и производство нанопродукции, образование, здраво охранение, оборона и безопасность, экология. 
По всем признакам мир всту пает в эпоху тотальной нанореволюции, способной затмить своими результа тами последствия 
компьютерной революции конца XX в. Однако любая ре волюция – 
это прежде всего переворот в сознании людей. Без него невозможно успешное развитие каких бы то ни было новых отраслей 
знаний, эко номики, социальных отношений. В этой связи в 
первую очередь необходима экстренная программа ознакомления и обучения основам нанонауки и нано технологий не только 
инженеров и технологов, но и самых широких кругов населения. 
Подобные программы приняты и получают государственное финансирование в США, Евросоюзе, России, Беларуси, ряде азиатских стран. Для их постановки и обсуждения необходима определенная среда и хотя бы небольшое «затравочное» количество 
специалистов различного профиля, знакомых с предметом в степени, достаточной для осознания фронта и объе ма работ, стратегических, экономических и социальных последствий, преимуществ и опасностей освоения нанотехнологий и нанотехники. 
Необходима также соответствующая литература. Специалистов 
нужно готовить уже сей час, начиная знакомство с азами нанотехнологий прямо со школьной скамьи, чтобы сориентировать молодежь перед выбором профессии. Отчасти книга служит этой цели.
Наноматериаловедение – наука, которая основывается на 
новых принципах, терминах и определениях (гл. 1), это нанокластеры и наност руктуры (гл. 2), новые методы исследования нанокристаллических ма териалов (гл. 3), новые конструкционные нанокристаллические мате риалы (гл. 4), наноматериалы для электроники (гл. 5), машин, приборов и аппаратов (гл. 6), медицины и бионанотехнологии (гл. 7).
Авторы использовали публикации ведущих отечественных и 
зарубеж ных ученых в области наноматериалов и выражают всем 
свою искреннюю благодарность. Особая благодарность специалистам из России – академику Ю.Д. Третьякову, профессорам 

Ю.И. Головину, JI.H. Патрикееву, А.И. Гусе ву, Р.А. Андриевскому и другим, чьи результаты исследований в значительной мере 
представлены в данном учебном пособии.
В Республике Беларусь успешно выполняется Государственная ком плексная программа научных исследований «Материаловедение» и программа «Наноматериалы и нанотехноло гии» (научный руководитель академик П.А. Витязь). 
Мы хотели бы отметить успехи ведущих ученых в этой области: академиков С.А. Астапчика (нанотехнологии), С.А. Жданка (нанотруб ки и топливные элементы), В.А. Лабунова (наноэлектроника), Н.К. Мышки на, А.И. Свириденка (нанополимерные композиты), О.В. Гапоненко (физика наноструктур), 
Б.М. Хрусталева (наноматериалы в строительной индустрии), 
С.Я. Килина (нанокристаллы), С.А. Чижика (атомно-силовая микроскопия и нанодиагностика), членов-корреспондентов Национальной академии наук Беларуси А.В. Белого (нанопленки),  
А.Ф. Ильюшенко, Ф.И. Пан телеенко (нанопорошковые мате риалы 
и покрытия), профессора Н.А. Полонского, доцента Э.М. Шпилевского (фуллерены и наноструктуры), кандидата физико-математических наук В.С. Урбановича (сверхтвердые наноматериалы).
Авторы признательны про фессорам Ф.Г. Ловшенко и А.Т. Волочко за ценные замечания.
Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Большинство экспертов в области стратегического планирования, научно-технической политики и инвестирования уверены, 
что в бли жайшее десятилетие нас ждет новая научно-техническая революция – нанореволюция, задействующая все области 
науки, производства, на циональной безопасности, медицины, 
быта, отдыха и развлечений. По следствия ее будут обширнее и 
глубже, чем изменения, вызванные ком пьютерной революцией 
последней трети XX в. Ожидается широко масштабное и системное вторжение наноструктурированных материа лов, изделий и 
способов их получения буквально во все сферы жизни (рис. В1). 
Согласно мнению многих авторитетных экспертов, с которым можно согласиться с некоторыми оговорками и дополне
Рис. В1. «Почва», «корни» и «плоды» нанотехнологий

ниями, высокотех нологичный сектор экономики – так называемый блок NBIC (нано-, био-, информ- и когнитивные технологии) – может успешно развиваться только в условиях прогресса в трех связанных и взаимозависимых сфе рах:
 • фундаментальная наука;
 • образование и просвещение;
 • инновационные разработки и бизнес.
Для успешного развития нанотехнологий и их внедрения 
во все сферы жизни необходимо углублять представления о 
структуре и свойствах нанообъ ектов и наноматериалов, фундаментальных принципах и закономерно стях их поведения, 
разрабатывать специальные технологии их получе ния, исследования, крупномасштабного производства и контроля за 
каче ством. Кроме того, следует расширять существующие и 
подготавливать новые области применения нанопродуктов, 
системно и комплексно оце нивать последствия их глобального внедрения во все сферы жизни.
Разработка и производство нанопродукции требуют высококачествен ного естественно-научного образования, что поднимет престиж учебных заведений всех уровней, интеллектуальный потенциал общества в целом. Необходимо воспитать 
специалистов нового поколе ния, владеющих этой новой сферой деятельности, объединяющей фун даментальную науку и 
прикладные знания. Они должны знать всю це почку: концептуальный дизайн техническое проектирование разработка технологии изготовления производство и оценка 
качества эксплуатация и утилизация отслужившей свой 
срок нанопродукции.
Для того чтобы не оказаться на обочине мировой цивилизации, нам необ ходимо энергично выстраивать инфраструктуру инновационной эконо мики, формировать соответствующую среду на всех уровнях управ ления, совершенствовать систему образования, разумно инвестировать в фундаментальную науку и поддерживать инновационные разработки, 
быстро доводя их до рынка.
Однако научно-технический прогресс сам по себе не может 
быть самоцелью цивилизации. Его генеральной задачей является 
расши рение границ познавательной активности, обогащение мировоззрения, формирование и удовлетворение духовных и материальных потребно стей людей, улучшение качества жизни, гармоничное развитие обще ства и его социальных институтов, сохранение и приумножение природных богатств для будущих по

колений. Учитывая громадные, ни с чем не сравнимые воз можности 
нанотехнологий, их всепроникающий, системный харак тер и 
способность революционизировать многие сферы жизни, необходимо опережающими темпами анализировать многочисленные 
полити ческие, социально-экономические, юридические, этические и другие гу манитарные аспекты развития нанонауки и нанотехники (рис. В2).

Наконец, намечая всестороннее обсуждение проблем развития нанотехнологий, невозможно уклониться и от рассмотрения неопределенностей и рисков (помимо безусловных 
благ), связанных с широким внедрением нанопро дукции в 
нашу жизнь (рис. В3). 
Гармоничное и безопасное развитие нанотехнологий невозможно без налажива ния кооперации между их потенциальными пользователями и разработчи ками. Только когда это будет 

Рис. В2. Политические, социально-экономические и гуманитарные аспекты 
развития нанотехнологий

сделано, тогда инвестиции будут оправданными и успешными, 
а нежелательные последствия вовремя обнаружены, проанализированы и погашены. В общем смысле проблема не нова. Человеческий потенциал и технологии развивались более или менее синхронно, в результате чего качество жизни сильно выросло. Однако существует и проти воположная точка зрения: 

Рис. B3. Некоторые прогнозируемые последствия нанотехнологической революции