Введение в нанотехнологии

 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
Ю. А. Тимошина, Э. Ф. Вознесенский 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2019 

УДК 620.5(075) 
ББК 30.3я7

Т41

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук М. А. Саляхова 
исполнительный директор ООО «Ферри Ватт» Я. О. Желонкин 
 
 
 
 
 
 
 

Т41 

Тимошина Ю. А.
Введение в нанотехнологии : учебное пособие / Ю. А. Тимошина, 
Э. Ф. Вознесенский; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 88 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2719-1
 
Рассмотрены основные понятия и определения, история развития 
нанотехнологий, их потенциал и перспективы развития. Представлена классификация наноматериалов, рассмотрены их структурные особенности, размерные эффекты и свойства нанообъектов. Приведены основные подходы и 
технологии получения наноматериалов, методы исследования наноразмерных структур, рассмотрены особенности диагностики и проблемы метрологии в области нанотехнологий. 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям «Наноинженерия» и «Материаловедение и технологии материалов». 
Подготовлено на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов. 
 

 
ISBN 978-5-7882-2719-1
© Тимошина Ю. А., Вознесенский Э. Ф., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 620.5(075) 
ББК 30.3я7

 

 

В В Е Д Е Н И Е  

В настоящее время одной из интенсивно развивающихся областей наукоемких технологий являются нанотехнологии, которые 
нашли практическое применение в сфере обмена и хранения информации, здравоохранении, энергетике, различных областях промышленности, материаловедении и других направлениях. Изучение нанообъектов, наноматериалов и наноструктур базируется на ряде фундаментальных и прикладных наук, где происходит слияние теоретического, методического и экспериментального материала, накопленного 
в области физики, химии, биологии, механики и информационных 
технологий. 
Использование нанотехнологий позволяет получить принципиально новые материалы и устройства с характеристиками, превышающими их современный уровень, а наноматериалы могут обладать 
внутренними свойствами или функциями, отличающимися от присущих отдельным атомам, молекулам или объемным материалам. Данные факторы способствуют концентрации особого внимания научноинженерного сообщества на развитии нанотехнологий, которые могут 
привести к созданию обновленной технической и технологической 
базы цивилизации. 
Дополнительное развитие и внедрение нанотехнологий обеспечила разработка нормативных документов в качестве основного механизма технического регулирования. Однако по мере появления новых 
возможностей разработки и применения нанотехнологий границы 
нанодиапазона могут быть пересмотрены в соответствии с современными научными представлениями, а существующие на настоящий 
момент термины и определения будут эволюционировать. 
Таким образом, нанотехнологии можно рассматривать как технологии общего назначения, задачей которых является формирование 
единой научно-технической картины мира и повышение эффективности производства на основе опережающего развития высокотехнологичных отраслей. 
 

1 .  Н А Н О Т Е Х Н О Л О Г И И  

К А К  М Е Ж Д И С Ц И П И Н А Р Н А Я  О Б Л А С Т Ь  

Д Е Я Т Е Л Ь Н О С Т И  

1 . 1 .  О С Н О В Н Ы Е  П О Н Я Т И Я  И  О П Р Е Д Е Л Е Н И Я  

Область нанотехнологий имеет свою специфическую систему 

терминов, которая продолжает формироваться и расширяться с развитием методов исследования, а также открытием новых явлений и материалов.  

Нано (русское обозначение – н; международное – n) – одна из 

приставок, используемых в Международной системе единиц (СИ) для 
образования единиц, равных одной миллиардной части исходной единицы (1 нм = 10−9 м). 

С целью установления на межгосударственном уровне единой 

терминологии в области нанотехнологий, гармонизированной с международной практикой, с 1 января 2016 г. для добровольного применения в Российской Федерации действуют межгосударственные стандарты на нанотехнологии. Приведенные определения можно, при 
необходимости, изменять, вводя в них произвольные признаки, раскрывая значения используемых в них терминов, указывая объекты, 
относящиеся к определенному понятию, однако изменения не должны 
нарушать объем и содержание понятий, определенных в данных стандартах. 

Нанодиапазон (nanoscale) – диапазон линейных размеров при
близительно от 1 до 100 нм. Верхнюю границу этого диапазона принято считать приблизительной, так как в основном уникальные свойства 
нанообъектов за ней не проявляются. Нижнее предельное значение 
в этом определении (приблизительно 1 нм) введено для того, чтобы 
исключить из рассмотрения в качестве нанообъектов или элементов 
наноструктур отдельные атомы или небольшие группы атомов. 

Нанообъект (nanoobject) – материальный объект, линейные раз
меры которого по одному, двум или трем измерениям находятся 
в нанодиапазоне (данный термин распространяется на все дискретные 
объекты, линейные размеры которых находятся в нанодиапазоне). 

Научные основы нанотехнологий (nanoscience) – система знаний 

о свойствах материи в нанодиапазоне, в которой проявляются размерные и структурные зависимости свойств и явлений, отличные от тех, 
которые наблюдаются у отдельных атомов, молекул или объемных 
материалов. 

Нанотехнология (nanotechnology) – совокупность технологиче
ских методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный 
контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона. 

Наноматериал (nanomaterial) – твердый или жидкий материал, 

полностью или частично состоящий из структурных элементов, размер которых хотя бы по одному измерению находится в нанодиапазоне. Наноматериал является общим термином для таких понятий как 
«совокупность нанообъектов» и «наноструктурированный материал». 

Наноструктура (nanostructure) – композиция из взаимосвязан
ных составных частей различных веществ, одна или несколько из которых имеют линейные размеры в нанодиапазоне. Граница между составными частями определяется границей прекращения свойств. 

Наноструктурированный материал (nanostructured material) – 

материал, имеющий внутреннюю или поверхностную наноструктуру.  

Технический наноматериал (engineered nanomaterial) – нанома
териал, изготовленный с конкретной целью или для реализации определенной функции. 

Промышленный наноматериал (manufactured nanomaterial) – 

наноматериал с определенными свойствами или определенным составом, преднамеренно изготовленный для коммерческих целей. 

Побочный наноматериал (incidental nanomaterial) – наноматери
ал, непреднамеренно образующийся в ходе процесса (технологического, биотехнологического и др.).  

Нанотехнологическое производство (nanomanufacturing) – пред
намеренный синтез, изготовление или контроль наноматериалов, 
а также отдельные этапы процесса изготовления в нанодиапазоне для 
коммерческих целей. 

Процесс нанотехнологического производства (nanomanufac
turing process) – совокупность мероприятий, направленных на преднамеренный синтез, изготовление или контроль наноматериалов, 
а также отдельные этапы процесса изготовления в нанодиапазоне для 
коммерческих целей. 

Наноразмерный эффект (nanoscale phenomenon) – эффект, при
сущий нанообъектам или участку с размерами в нанодиапазоне. 

Наноразмерное свойство (nanoscale property) – характеристика 

нанообъекта или участка с размерами в нанодиапазоне. 

В современных стандартах многие определения терминов сфор
мулированы так, чтобы в дальнейшем с их помощью можно было разработать оптимальную структуру терминологических систем в области нанотехнологий с иерархически взаимосвязанными терминами. 
Пример иерархической взаимосвязи определений терминов «наноматериал», «нанообъект» и «наноструктурированный материал» представлен на рис. 1.1. 
 

 

Наноматериал 

Нанообъект 

(имеет линейные размеры 
по одному, двум или трем  

измерениям в нанодиапазоне) 

Наноструктурированный  

материал 

(имеет внутреннюю или  

поверхностную наноструктуру)

 

Рис. 1.1. Пример иерархической взаимосвязи  

определений терминов «наноматериал», «нанообъект»  

и «наноструктурированный материал» 

 
Такая иерархическая взаимосвязь не исключает наличия у нано
объекта внутренней или поверхностной структуры в нанодиапазоне, 
а установленные термины расположены в систематизированном порядке, 
отражающем систему основных понятий в области нанотехнологий.  

1 . 2 .  И С Т О Р И Я  Р А З В И Т И Я  Н А Н О Т Е Х Н О Л О Г И Й  

Предыстория развития современных нанотехнологий связана 

с деятельностью ученых многих стран мира, которые на протяжении 
всего развития науки обращались к вопросу потенциальной важности 
исследования малых частиц. Еще в 1661 г. ирландский физик и химик 

Р. Бойль в своем труде «Химик-скептик» предположил, что все материальные объекты состоят из сверхмалых корпускул, которые достаточно устойчивы и в разных сочетаниях образуют различные вещества 
и предметы. 

Примером первого практического применения нанотехнологий 

можно считать изобретение рулонной фотопленки в 1883 г. основателем известной компании Kodak Д. Истменом. Разработанная им фотопленка представляла собой нанесенную на прозрачную эластичную 
основу из ацетата целлюлозы эмульсию галогенида серебра, разлагающегося под действием света с образованием наночастиц чистого серебра, которые и являлись пикселями получаемого изображения. 

Первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах, 

принято считать известного физика А. Эйнштейна, который в 1905 г. 
теоретически доказал, что размер молекулы сахара равен одному 
нанометру. 

В 1931 г. немецкие физики М. Кнолл и Э. Руска создали элек
тронный просвечивающий микроскоп, ставший прообразом нового 
поколения устройств, которые позволили заглянуть в мир нанообъектов, за что в 1986 г. получили Нобелевскую премию. В 1938 г. компанией Siemens был выпущен первый промышленный электронный 
микроскоп с разрешающей способностью порядка 10 нм. 

Принципиальное значение малоразмерных объектов было под
черкнуто американским физиком и нобелевским лауреатом Ф. Фейнманом в 1959 г., когда вниманию слушателей в Калифорнийском технологическом институте была представлена его лекция «Там, внизу, 
еще много места» (There’s Plenty of Room at the Bottom). Фейнман высказал идеи управления строением вещества и подчеркнул, что 
«научившись регулировать и контролировать структуры на атомном 
уровне, мы получим материалы с совершенно неожидаными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты». Данное выступление можно считать стартовой площадкой для области наноисследований. Р. Фейнман выдвинул идеи о манипулировании отдельными атомами для создания новых малых структур, гравировании линий шириной в несколько атомов посредством электронного пучка, 
создании электрических цепей нанометровых масштабов, применении 
наноструктур в биологических системах и др. 

Впервые термин «нанотехнология» был предложен японским 

физиком Н. Танигучи в 1974 г. в докладе «Об основных принципах 

нанотехнологии» (On the Basic Concept of Nanotechnology). Этот термин был использован для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, а термином «нанотехника» было 
предложено называть механизмы размером менее одного микрометра. 

В 1981 г. сотрудниками компании IBM Г. Биннингом и Г. Роре
ром был создан сканирующий туннельный микроскоп, отмеченный 
Нобелевской премией в 1986 г. Данный прибор позволял не только 
получать трехмерное изображение структуры из электропроводящего 
материала с разрешением порядка размеров отдельных атомов, но и 
осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне, т. е. манипулировать атомами. А в 1986 г. Г. Биннингом, К. Куаттом и К. Гербером создан сканирующий атомно-силовой микроскоп, позволивший, 
в отличие от сканирующего туннельного микроскопа, изучать атомарную структуру не только проводящих, но и любых материалов, в том 
числе органических молекул, биологических объектов и т. д. 

Появление первых сканирующего туннельного и атомно-сило
вого микроскопов послужило импульсом для дальнейшего развития 
нанотехнологий и исследования материалов на атомарном уровне. 
Нанотехнологии получили признание, а ученые начали прогнозировать активное развитие и практическое применение нанотехнологий, 
основываясь на достижениях предшественников. 

В России работы по получению наноматериалов были начаты 

в 50-е г. ХХ в. Следует отметить, что в СССР данные материалы изначально получили название ультрадисперсных материалов или ультрадисперсных систем. Научно-техническое направление по разработке и 
изучению свойств ультрадисперсных материалов развивалось на 
предприятиях атомной промышленности, где были получены ультрадисперсные порошки с размером частиц около 100 нм. Данные порошки были успешно использованы для изготовления высокопористых мембран для диффузионного метода разделения изотопов урана. 

Первыми государственными программами по развитию нано
технологий можно считать проект по развитию техники манипулирования атомами и молекулами «Атомная технология» (Япония, 1991 г.) 
и создание Нанотехнологической лаборатории (США, 1993 г.). 
А в 1996 г. группа правительственных учреждений США под началом 
Национального фонда науки организовали изучение текущего мирового состояния нанонауки. Результатом деятельности группы явились 
детально разработанные рекомендации по развитию этой области зна

 
ний, и была сформирована долговременная государственная программа под названием «Национальная нанотехнологическая дисциплина». 
Исследования, выполненные в рамках данной программы, позволили 
сделать два вывода. Первым является то, что наноструктурированные 
материалы могут получать новые свойства и необычные характеристики, в основе чего лежит тот факт, что с каждым свойством вещества связана характеристическая, или критическая, длина. Основные 
физические и химические свойства меняются, когда размеры твердых 
тел становятся сравнимыми с характеристическими длинами, большинство из которых лежит в нанометровом диапазоне. Второй вывод 
касается того факта, что нанотехнологии относятся к множеству разных отраслей знаний, таких как химия, физика, экология, электротеника, механика, химическая технология и др. Междисциплинарная 
природа данной области исследований осложняет понимание и использование результатов, полученных в одном из разделов нанонауки, 
в другом разделе. В 2000 г. в США приступили к реализации широкомасштабной программы исследований в области нанотехнологий, 
названной «Национальной нанотехнологической инициативой» (NNI). 
Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, 
Китаем, Бразилией и рядом других стран. 
В ХХI в. началось бурное развитие прикладной нанотехнологии, 
появились первые коммерческие наноматериалы – нанопорошки, 
нанопокрытия, объемные наноматериалы, нанохимические и нанобиологические препараты; созданы первые электронные устройства, 
наносенсоры различного назначения; разработаны многочисленные 
методы получения наноматериалов. Многие страны мира активно 
включились в исследования в сфере нанотехнологий, оценив перспективы их применения в будущем. В ведущих университетах и институтах мира (США, Германия, Япония, Россия, Англия, Франция, Италия, 
Швейцария, Китай, Израиль и др.) созданы лаборатории и отделы по 
получению и исследованию наноматериалов и наноструктур. 
В настоящее время в исследованиях в сфере нанотехнологий задействованы более 50 стран мира, а за уникальные результаты в данной области присуждено восемь Нобелевских премий. Нанотехнологии уже используются в наиболее значимых областях человеческой 
деятельности – информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, биотехнологии, медицине, оборонной промышленности и др.