Нанохимия и наноматериалы

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

 
Т. И. Шабатина, А. М. Голубев 
 
 
 
Нанохимия 
и наноматериалы 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия  
по курсу химии для студентов  
технических специальностей 
 
 
 
 

 

 
 
Москва  

2014 

УДК 54.18:544.77+538.94(075.8) 
ББК 24 
Ш13 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/110/book79.html 
Факультет «Фундаментальные науки» 
Кафедра «Химия» 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. В. И. Ролдугин,  
канд. физ.-мат. наук, доц. Ю. В. Герасимов 

 
Шабатина Т. И.  
Ш13   
Нанохимия и наноматериалы : учеб. пособие / Т. И. Шабатина, А. М. Голубев. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2014. — 63, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3965-2 

Нанохимия — быстро развивающаяся область науки, направленная на получение и изучение физико-химических свойств частиц вещества, имеющих размеры в несколько нанометров, и материалов на 
их основе. Подобные частицы обладают высокой реакционной способностью в широком интервале температур и размерной зависимостью свойств. Исследования в области нанохимии открывают перспективы для синтеза химических веществ и функциональных 
материалов с принципиально новыми и необычными свойствами.  
Настоящее пособие может рассматриваться как введение в область 
нанохимии и служить для студентов определенным указателем и справочным руководством в обширном мире наносистем, наноструктур и 
наноматериалов. Специальные разделы посвящены способам получения и свойствам наночастиц металлов и оксидов металлов, углерода, 
нанокомпозитам и искусственным метаматериалам. В пособии приведены четыре примера получения наноматериалов, которые могут быть 
использованы при постановке отдельных лабораторных работ. 
Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников, специализирующихся в области материаловедения, машино-  
и приборостроения. 
УДК 54.18:544.77+538.94(075.8) 
ББК 24 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3965-2 
 
 
        МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

ВВЕДЕНИЕ 

Наноматериалы — это материалы, созданные с использованием наночастиц и (или) посредством нанотехнологий, наноструктуры и агрегаты наночастиц, обладающие какими-либо уникальными 
свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят также объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале 1…100 нм — тонкие 
пленки и нитевидные образования (нановискеры). К числу наноматериалов следует отнести графены, углеродные нанотрубки и 
фуллерены, а также природные нанообъекты — молекулы ДНК, 
белки, вирусы и др. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от свойств аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение 
магнитных, тепло- и электропроводящих свойств, появление повышенной прочности и суперпластичности, суперпарамагнетизма.  
Развитие отдельных направлений нанонауки и областей их применения связано, прежде всего, с разработкой способов получения, 
стабилизации и модификации изолированных наночастиц, консолидированных наноматериалов и функциональных наноструктур. Решение этих проблем является предметом нанохимии. Необычные 
физические и химические свойства частиц, включающих от нескольких единиц до сотен атомов и молекул, отличаются как от 
свойств индивидуальных атомов и молекул этого вещества, так и от 
свойств объемного вещества того же состава, включающего тысячи 
и миллионы атомов. Исследования в области нанохимии открывают 
перспективы для синтеза новых веществ и получения материалов с 
улучшенными и принципиально новыми конструкционными и 
функциональными свойствами. Настоящее пособие может рассматриваться как введение в предмет нанохимии и служить для студентов справочным руководством в обширном мире разнообразных 
наносистем, наноструктур и наноматериалов. 

1. ОСОБЕННОСТИ НАНОСОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА  

С наноразмерным состоянием вещества и наноразмерными частицами человечество имеет дело уже давно. Еще во II в. до н. э.  
в Китае и Древнем Египте были известны «китайские чернила» — 
коллоидный раствор сажи в воде с добавлением гуммиарабика.  
В Античности создавали ярко окрашенные цветные стекла путем 
включения в них частиц металла. В 1856–1857 гг. М. Фарадей изучал свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота. И 
лишь в 1933 г. М. Кнолл и Э. Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил визуализировать и исследовать 
нанообъекты. В 1982 г. Г. Биннинг и Г. Ровер (компания IBM) получили изображения поверхности монокристаллического золота и 
кремния с атомным разрешением, в 1986 г. компанией IBM создан 
атомно-силовой микроскоп. 
Сегодня под терминами «наносостояние», «нанотехнологии», 
«наноматериалы», «наноструктуры» и т. п. подразумевается довольно широкий ряд понятий, которые постоянно уточняются в 
ходе накопления экспериментальных данных о свойствах наноразмерных объектов. Исторически концепция «нано» была сформулирована в лекции Ричарда Фейнмана в Американском физическом сообществе 29 декабря 1959 г., в которой он обрисовал 
перспективы перехода физики, химии и инженерии на молекулярный и атомный уровень, где «сделано мало, но принципиально 
может быть сделано невероятно много». Термин «нанотехнология» впервые ввел Норио Танигучи в 1974 г. на конференции Британского общества точной инженерии, представив свой доклад на 
тему «Об основной концепции нанотехнологии», в котором нанотехнология определялась как «обработка, разделение, соединение 
и деформация материалов по одной молекуле или атому». Широ

кой популяризации подходов и методов нанотехнологии послужила книга Эрика Дрекслера «Создание машин. Наступление эры 
нанотехнологии», изданная в 1986 г.  
Работы российских ученых в области ультрадисперсных и кластерных материалов внесли существенный вклад в развитие этого 
направления. Определенным признанием заслуг российских ученых явилось присуждение Ж.И. Алферову в 2000 г. Нобелевской 
премии за вклад в разработку наноразмерных полупроводниковых 
гетероструктур. Революционный прорыв в области нанонауки и 
нанотехнологий на рубеже XXI в. был связан прежде всего с созданием и развитием инструментальных методов нанотехнологии, 
позволяющих визуализировать, изучать и модифицировать изолированные нанообъекты и их упорядоченные ансамбли, — методов 
просвечивающей и зондовой (электронной и атомно-силовой) 
микроскопии.  
Развитие ряда фундаментальных направлений науки привело к 
осознанию того, что между единичными атомами и молекулами и 
макроскопическим состоянием вещества лежит переходная область, в которой свойства вещества уже не такие, как у его отдельно взятой молекулы, но еще не такие, как у большого количества 
того же вещества. На примере многих объектов физики, химии и 
биологии было показано, что переход от макроскопических объектов к объектам размером 1…10 нм приводит к качественным изменениям физико-химических свойств отдельных частиц и получаемых на их основе наносистем. Это понимание привело к 
появлению ряда новых научных теорий, объединяемых словом 
«нано». Частицы вещества размером 100 нм и более образуют высокодисперсные коллоидные системы, которые следует относить к 
микросостоянию вещества. Наночастицы можно рассматривать 
как промежуточные образования между отдельными атомами, с 
одной стороны, и твердым телом — с другой; размер этих образований 1…100 нм (рис. 1.1). Если в наночастицах наблюдается ярко 
выраженное упорядоченное расположение атомов, их называют 
нанокристаллитами. Такие частицы обладают избыточной энергией и высокой химической активностью. Это объясняется 
нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Образование наночастиц из атомов сопровождается формированием ядер разного размера и взаимодействием 

между частицами, ведущим к созданию из них ансамблей — 
наноструктур. Наноструктуру можно определить как совокупность наночастиц, обладающих функциональными связями. В 
таких ансамблях межчастичные взаимодействия достаточно 
сильны и способствуют изменению свойств отдельных изолированных наночастиц.  
 
 

 
 
Рис. 1.1. Шкала размеров объектов наномира (http://www.nanometer.ru) 
 
 
Свойства вещества в наносостоянии отличаются от свойств 
того же вещества в макросостоянии. Особенность нанообъектов 
заключается в том, что их размер соизмерим с радиусом действия 
межатомных сил. Вследствие данной особенности нанотела взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой иначе, чем 
макротела. На уровне нанообъектов проявляются характерные эффекты, которые называют размерными, так как они заключаются в 

зависимости физических и химических свойств нановещества от 
размера частиц или зерен (числа атомов). Наличие размерных зависимостей физических и химических свойств может быть обусловлено как увеличением доли поверхностных атомов (S/V, где S — площадь поверхности; V — объем частицы), так и соизмеримостью 
диаметра частицы или элемента структуры наноматериала с фундаментальной размерной характеристикой — дебройлевской длиной 
волны электрона, размером магнитного домена и др. (табл. 1.1).  
Как правило, размерные эффекты возникают, когда размер частиц не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, 
когда их размер становится менее 10 нм. Эти наночастицы ведут 
себя как квантовые объекты, происходят квантование энергии и 
момента количества движения электронов, изменение электроннозонного строения твердых тел и возникновение «квазиатомной» 
электронной структуры. Для металлических наночастиц при 
уменьшении размера наблюдается переход от металлических 
свойств к полупроводниковым и даже диэлектрическим, появляется размерная зависимость ширины запрещенной зоны для полупроводниковых наночастиц, при определенных размерах возникает супермагнетизм для наночастиц ферромагнетиков и др. 
Подобные эффекты носят название квантоворазмерных. Уменьшение размера частицы в одном, двух или трех измерениях будет 
приводить к частичному квантованию энергетических зон. В соответствии с этим можно выделить следующие типы низкоразмерных наноструктур: квантовые ямы — двумерные объекты, толщина которых находится в нанодиапазоне, квантовые нити — 
одномерные объекты, диаметр которых является нанометровым, и 
квантовые точки — нульмерные объекты, или «суператомы», 
наноразмерные во всех трех измерениях. 
В наноматериалах границы между гомогенной и гетерогенной 
системами, между аморфным и кристаллическим состоянием вещества часто провести трудно. В системах, которые можно отнести к наноразмерным, количество вещества (число атомов), сосредоточенное на поверхности и в объеме, становится соизмеримым, 
что кардинально изменяет структуру и свойства твердого тела. 
Могут изменяться межатомные расстояния и происходить перестройка кристаллической структуры, вплоть до перехода в аморфное состояние.