Нанотехнологии. Вопросы исследований

Э. Л. Дзидзигури, Е. Н. Сидорова
НАНОТЕХНОЛОГИИ
ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Электронное издание
Москва
Лаборатория знаний
2024

УДК 620.3
ББК 32.844.2+34.36я73
Д43
С е р и я
о с н о в а н а
в
2006 г.
Дзидзигури Э. Л.
Д43
Нанотехнологии.
Вопросы
исследований
:
учебное
пособие
/
Э. Л. Дзидзигури,
Е. Н. Сидорова. —
Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2024. —
128 с. — (Нанотехнологии). — Систем.
требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-882-1
Рассмотрен ряд аспектов исследования наноматериалов.
Проанализированы размерные величины, используемые для
характеристики крупнокристаллических и наноматериалов,
подняты вопросы взаимосвязи средних величин между собой.
Приведено развернутое описание новых методов исследования
и
обработки
экспериментальных
данных,
разработанных
на кафедре ФНСиВТМ НИТУ МИСИС.
Для обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлениям
подготовки
22.03.01
и
22.04.01
«Материаловедение
и
технологии
материалов»,
28.03.03
и
28.04.03
«Наноматериалы», а также всех интересующихся областью
разработки и применения нанотехнологий.
УДК 620.3
ББК 32.844.2+34.36я73
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 978-5-93208-882-1
© Лаборатория знаний, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Глава 1. Проблемы исследования наноматериалов . . 6
1.1. Особенности исследования наноматериалов  . . . . 6
1.2. Метод расчета распределения ОКР 
      по размерам  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3. Метод определения состава наноразмерного 
 
     твердого раствора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4. Метод определения толщины оксидной пленки
      на порошках металлов 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Глава 2. Размерные величины, применяемые для 
           характеристики крупнокристаллических
           материалов и нанопорошков  . . . . . . . . . . . 56
2.1. Размерные характеристики материалов  . . . . . . 60
2.2. Средние размеры порошковых материалов 
      и их взаимосвязь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3. Распределение частиц по размерам . . . . . . . . . . 83
Глава 3. Методы обработки экспериментальных 
           данных 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.1. Компьютерная программа ADP  . . . . . . . . . . . . 104
3.2. Компьютерная программа DEAM . . . . . . . . . . . 110
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Список современных источников, посвященных 
теме нанотехнологий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

ВВЕДЕНИЕ
Первые научные исследования, представляющие интерес с точки зрения нанотехнологий, стали появляться 
в XVIII веке. К ним относятся, в частности, работы великого русского ученого М. В. Ломоносова по получению цветных стекол с добавлением различных дисперсий металлов (1745–1755). В следующем веке другой 
великий соотечественник, Д. И. Менделеев, в своей работе «Основы химии» пишет о коллоидных растворах 
золота синего, фиолетового и красного цвета. В 1847 году М. Фарадей впервые связал цвет стекол с размером 
вводимых золотых частиц. В ходе исследования оптических свойств стеклянных суспензий ученый пришел к 
выводу, что частицы золота в них имеют весьма малые 
размеры. 
Теперь достоверно известно: при измельчении до 
наноразмеров любого твердого вещества его свойства 
претерпевают значительные изменения по сравнению 
с крупными аналогами. Массивное золото, например, 
имеет характерный желтый цвет. В то же время золотые наночастицы размером порядка 30–40 нм придают 
суспензии пурпурный цвет, диаметром 10–20 нм — рубиновый, а менее 10 нм — ярко-оранжевый. До сегодняшних дней в музее Королевского института в Лондоне сохранились две пробирки с коллоидным раствором 
золота красного цвета, которые получил сам Фарадей. 
Основываясь на современных представлениях, можно 
сделать вывод, что в данном материале присутствуют 
наночастицы золота диаметром порядка 20 нм.

Введение 
5
По результатам обширных исследований, которые 
имеются на сегодняшний день, возможности нанотехнологий весьма впечатляющие, их полноценная разработка и внедрение сулят многообещающие перспективы. Однако необходимо отметить, что степень развития 
производства нанометровых объектов и изделий еще 
явно недостаточна. Другими словами, потенциальные 
возможности нанотехнологий и их продукции для промышленности и общества гораздо выше, нежели они 
используются в настоящий момент.
В данном учебном пособии рассмотрены основные 
методы изучения и особенности исследования наноматериалов. Проанализированы размерные величины, используемые для характеристики материалов различной 
крупности, взаимосвязь средних величин между собой, 
информативность размерных характеристик, распределения частиц по размерам. 
Описаны новые методы исследования наноматериалов и обработки экспериментальных данных, разработанные на кафедре функциональных наносистем и 
высокотемпературных материалов (ФНСиВТМ) НИТУ 
МИСИС, рассмотрены возможности этих методов и приведен ряд имеющихся на данный момент результатов. 
Авторы выражают искреннюю признательность преподавателям кафедры ФНСиВТМ Архипову Д. И., Васильеву А. А. и Хайдарову Б. Б. за неоценимую помощь 
в подготовке этого пособия. 

Глава 1
ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
НАНОМАТЕРИАЛОВ
1.1. 
Особенности исследования 
наноматериалов
При характеризации и исследовании наноразмерных 
объектов возникает ряд проблем, несвойственных их 
массивным аналогам. Обусловлено это прежде всего 
очень малыми размерами морфологических единиц 
данных объектов. Если рассматривать наноматериалы, 
то им свойственна большая протяженность границ или 
поверхность раздела фаз, склонность к агрегированию, 
высокая реакционная способность, формирование метастабильных и неизвестных до настоящего времени фаз, 
присутствие в структуре разупорядоченных и амор 
фных составляющих и т. д. 
Изучение нанообъектов чаще всего требует использования специфических методов в каждом конкретном 
случае. Для исследования наноматериалов используются более универсальные приемы, которые либо созданы под наноразмерные задачи, либо не требуют больших доработок. В связи с этим в данном разделе будут 
рассмотрены, можно сказать, универсальные методы 
исследования 
наноматериалов, 
которые 
позволяют 
установить такие характеристики, как дисперсность и 
морфология, элементный и фазовый составы, ряд параметров кристаллической структуры.
Электронная микроскопия
Методы электронной (это СЭМ, ПЭМ, ВРЭМ) и зондовой микроскопии имеют ряд методических ограниче

Проблемы исследования наноматериалов  
7
ний, которые необходимо учитывать при работе с наноматериалами.
Прежде всего, все эти методы является локальными. Несложно определить, что в 1 грамме нанопорошка железа находится порядка 2,45 · 1014 частиц диаметром 100 нм. Для проведения микроскопических 
исследований, как правило, берется проба массой не 
более одного микрограмма, что соответствует величине в 108
 частиц. Это, безусловно, очень большое количестве объектов, что делает невозможным изучение 
всех частиц в пробе. В результате в ходе микроскопического эксперимента изучаются некоторые случайные выборки, которых также обычно бывает немного. 
В случае если выборка нерепрезентативна, результат исследований будет неправильным и даст ложные 
представления о материале в целом. В наибольшей степени данная проблема актуальна для ПЭМ, поскольку 
этим методом могут изучаться только «прозрачные» 
для электронов частицы. Крупные фракции или агрегаты, присутствующие в материале, на ПЭМ вообще не 
могут исследоваться. По этой причине в большинстве 
случаев определение размеров частиц данным методом 
приводит к заниженным результатам. Особенно это актуально при высокой полидисперсности материала.
В связи с небольшим объемом изучаемого материала для получения микроскопическими методами корректных результатов возникает необходимость в наборе 
статистических данных. Другими словами, требуется анализ у одного образца большого количества полей зрения. 
Это довольно трудоемко и не всегда возможно, однако 
при изучении наноматериалов представляется весьма целесообразным. 
При этом даже значительный массив экспериментальных результатов не гарантирует однозначного ито 
га 
измерений. Изучение одного и того же наноматериала 
разными исследователями зачастую приводит к большому различию в значениях размеров. Связано это в пер

Глава 1
вую очередь с систематическими ошибками, обусловленными различием в идентификации границ наночастиц 
каждым исследователем. Также определенное влияние 
оказывают и индивидуальные особенности зрения.
Еще одной, труднопреодолимой методической сложностью исследования нанодисперсных порошков является образование в них достаточно прочных агрегатов, 
разрушение которых представляет собой трудную задачу и редко приводит к получению желаемого результата. Идентификация отдельных частиц и их измерение 
в агрегатах зачастую бывают весьма сложными, что 
может привести к невозможности определения характеристик дисперсности наноматериала. 
Также определенные сложности связаны с воздействием электронного пучка на наночастицы в процессе эксперимента. Передача энергии падающим 
пучком приводит к разогреву и иногда к плавлению 
исследуемого материала, в результате чего в ряде случаев происходит коагуляции наночастиц или даже их 
испарение. 
Рентгеновская дифрактометрия
Также определенные методические сложности при изучении наноразмерных систем присутствуют в другом 
широко используемом методе исследования — рентгеновской дифрактометрии.
В первую очередь затрудняется расшифровка рентгенограмм. В частности, возможно значительное различие в относительных интенсивностях пиков отражения от наноразмерного и крупнокристаллического 
состояния одного и того же вещества. На рис. 1.1 приведены дифрактограммы микронного порошка нитрата стронция Sr(NO3)2 до и после его диспергирования 
по вакуум-сублимационной технологии. Как видно из 
представленных дифрактограмм, интенсивности максимумов значительно различаются, но расположены 
они на одинаковых углах 2.

Проблемы исследования наноматериалов  
9
Рис. 1.1. Рентгенограммы крупнокристаллического (а) и наноразмерного (б) нитрата стронция
Часто у наноматериалов наблюдается сдвиг дифракционных максимумов от эталонных значений. Например, все пики наноразмерного оксида молибдена, 
синтезированного методом термического разложения 
гидроксида металла (рис. 1.2), смещены в сторону больших углов по отношению к линиям штрих-диаграммы.
Рис. 1.2. Дифрактограмма оксида молибдена

Глава 1
Рис. 1.3. Дифрактограммы гидроксида никеля: а — крупнокристаллический порошок; б — наноразмерный порошок
Также нередко встречается сильное размытие и наложение друг на друга дифракционных отражений от 
наноразмерных фаз (рис. 1.3). Слабые максимумы при 
этом могут вообще исчезать, как говорится, «уходить