Удивительные наноструктуры

УДИВИТЕЛЬНЫЕ 
НАНОСТРУКТУРЫ

NANOSCALE

Visualizing an Invisible World 

Words by

 eyes

Illustration by

 eyes

The MIT Press
Cambridge, Massachusetts
London, England

УДИВИТЕЛЬНЫЕ 
НАНОСТРУКТУРЫ

Кеннет Деффейс и Стефен Деффейс

4-е издание, электронное

под редакцией проф. Л. Н. Патрикеева

Перевод с английского
канд. физ.-мат наук А. В. Хачояна

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 544+548+549
ББК 22.37+26.21+26.30+26.31
Д39

Права на русскоязычное издание приобретены
через Агентство Александра Корженевского (Москва)
Деффейс К.
Д39
Удивительные наноструктуры / К. Деффейс, С. Деффейс ;
пер. с англ. ; под ред. Л. Н. Патрикеева. — 4-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 209 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-817-9
В данном красочном издании собраны точные и удивительно красивые
изображения структур разнообразных объектов наномира. Некоторые из них
представляются очень простыми, другие же, напротив, весьма сложны.
Однако во всех случаях мы видим странные и интересные объекты,
иллюстрирующие строение веществ на атомарном уровне. Предлагаемые
структуры позволяют читателю оценить неожиданные возможности «наноархитектуры» и уловить взаимосвязь между особенностями строения
и известными физико-химическими свойствами веществ. Все иллюстрации
снабжены короткими рассказами, написанными на высоком научном уровне.
Для широкого круга читателей. Книга может использоваться также
и школьными педагогами в качестве учебного пособия, например по химии
и физике, так как ее чтение не требует специальных знаний, кроме самых
общих представлений о кристаллической решетке, атомах и химических
связях.
УДК 544+548+549
ББК 22.37+26.21+26.30+26.31

Деривативное издание на основе печатного аналога: Удивительные наноструктуры / К. Деффейс, С. Деффейс ; пер. с англ. ; под ред. Л. Н. Патрикеева. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 206 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0432-5

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 978-5-00101-817-9

c○ 2009 Massachusetts Institute of Technology. Russian
translation is published by permission of The MIT
Press (USA) via Alexander Korzhenevski Agency
(Russia)

c○ Перевод, оформление. Лаборатория знаний, 2015

4

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

Посвящается памяти
Лайнуса Полинга и Роджера Хэйворда

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Содержание

Предисловие редактора и переводчика ......................................... 9

Введение ....................................................................................... 12

1. Воздух..................................................................................... 17

2. Лед и пары воды .................................................................... 20

3. Золото.................................................................................... 25

4. Виды химических связей ........................................................ 28

5. Хлорид натрия ....................................................................... 31

6. Алмаз...................................................................................... 34

7. Алмаз с гексагональной структурой ..................................... 39

8. Нанотрубки и фуллерены ...................................................... 42

9. Асбест .................................................................................... 45

10. Пироксен ................................................................................ 51

11. Аминокислоты ....................................................................... 54

12. Фосфат .................................................................................. 57

13. Альфа-спирали и бета-слои................................................... 60

14. Лизоцим ................................................................................. 65

15. Лекарства .............................................................................. 68

16. Гемоглобин ............................................................................. 71

17. Хлорофилл .............................................................................. 76

18. Уреаза .................................................................................... 83

Содержание

19. Липидная мембрана ............................................................... 88

20. Вирус палочковидной формы ................................................. 91

21. Вирус икосаэдрической формы .............................................. 96

22. Открытие элементарной кристаллической ячейки ............. 99

23. Двойниковые кристаллы.......................................................105

24. Двойникование кальцита .....................................................110

25. Плоскость двойникования кальцита ...................................113

26. Плоскость двойникования доломита ...................................116

27. Кварц.....................................................................................123

28. Плотная упаковка кристаллов металлов............................128

29. Винтовая дислокация ...........................................................131

30. Эрионит ................................................................................134

31. Фоязит..................................................................................137

32. Смазочные материалы .........................................................142

33. Монтмориллонит .................................................................145

34. Морфология перовскита .......................................................148

35. Сверхпроводящий перовскит ................................................151

36. Кремниевый диод ..................................................................154

37. Топливный элемент ..............................................................157

38. Лазерные кристаллы.............................................................160

39. Сверхконденсатор.................................................................166

40. Эпитаксиальный рост кристаллов ......................................169

41. Мемристор............................................................................173

42. Ферромагнетизм ...................................................................177

43. Редкоземельные магниты .....................................................180

Содержание

44. Флэш-память........................................................................183

45. Металлическое стекло .........................................................186

46. Спинодальное разложение ....................................................189

47. Диамантан ...........................................................................193

48. Плитки Пенроуза .................................................................196

49. Дифракция от узоров Пенроуза ...........................................199

50. Квазикристалл ......................................................................204

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

Предисловие
редактора

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
и переводчика

В последние годы появилось множество изданий, посвященных нанотехнологиям, но книга, которую
вы держите в руках, выделяется на
их фоне своей наглядной простотой
и при этом необычностью. В ней
собраны изображения «невидимых»
даже под микроскопом разнообразных структур, характерные размеры которых лежат в нанометровом
диапазоне. Некоторые из них представляются очень простыми (другие,
напротив, весьма сложными), однако во всех случаях мы видим странные и интересные объекты, иллюстрирующие строение веществ на
атомарном уровне. В этом отношении книга весьма поучительна и
может использоваться даже школьными педагогами просто в качестве
учебного пособия, например по химии и физике. Ее чтение, кстати,
не требует специальных знаний,
кроме самых общих представлений

о кристаллической решетке, атомах,
химических связях и т. п. Предлагаемые структуры позволяют читателю оценить неожиданные возможности «наноархитектуры» и уловить
взаимосвязь между особенностями строения с известными физикохимическими свойствами веществ
(твердость, цвет, токсичность и т. п.).
Более того, читатель сам может легко убедиться, насколько условны
представления о простоте или сложности, особенно когда речь идет о
биологических соединениях или о
кристаллических решетках с несколько необычными свойствами
симметрии.
Все иллюстрации снабжены короткими рассказами, написанными
на высоком научном уровне. Их
автором является профессор геологии, известный американский специалист в области нефтеразведки
Кеннет С. Деффейс, который до

Удивительные наноструктуры

недавнего времени очень успешно
занимался полевой геологией и преподавательской деятельностью в
Принстонском университете, а также участвовал во множестве научноисследовательских проектов. В последние годы он написал несколько
книг по экономическим вопросам,
связанным с добычей, распределением и геополитикой нефти, завоевавших популярность у читателей.
Поэтому читатель найдет в этой
книге много кратких, но содержательных интересных историй, связанных с открытием новых веществ,
разработкой и практическим внедрением новых материалов, физико-химических процессов и технологий. Из книги можно получить
много полезных сведений о механизмах взаимодействия науки, большого бизнеса и правительства в
США. Именно эти вопросы сейчас
интенсивно обсуждаются в нашей
стране в связи с попытками реорганизовать Российскую академию
наук и создать эффективный механизм инновационного развития.
Строгий, научно обоснованный
характер описаний наноструктур и
явная влюбленность в них автора
позволили редактору дать далекое от
дословного перевода название этому произведению — «Удивительные
наноструктуры».
Важной особенностью книги выступает также подчеркнутое отношение к экологическим проблемам.

Внедрение нанотехнологий (и, соответственно, продуктов их производства), естественно, связано с
рисками и неизбежными последствиями как для здоровья человека, так и для окружающей среды,
которое, как известно, очень трудно прогнозировать и оценивать. На
простых примерах (например, при
описании материалов в разделах 9
и 10) читатель может оценить условность и обоснованность (или,
наоборот, преувеличенную осторожность) попыток точного определения опасности использования
новых материалов и рисков, связанных с их применением. В книге
приводятся очень интересные (и сбалансированные по трактовке) факты, связанные с экологической
опасностью конкретных материалов. Для нанотехнологий эта проблема имеет специфические особенности, и издательство «БИНОМ.
Лаборатория знаний» готовит сейчас к выпуску ряд книг по этой тематике.
Еще одним достоинством книги выступает практическая «современность» рассматриваемых в ней
понятий и структур. Дело в том, что
стремительное развитие нанотехнологий часто приводит к неожиданно быстрой реализации идей и
проектов. В связи с этим, например, стоит обратить внимание читателей на раздел книги, посвященный мемристорам. Теоретически