Нанотехнологии. Практика

Э. Л. Дзидзигури, Е. Н. Сидорова
НАНОТЕХНОЛОГИИ
ПРАКТИКА
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. Практика : учебное пособие / Э. Л. Дзидзигури, Е. Н. Сидорова. — Электрон. изд. — М. : Лаборатория знаний, 2024. — 193 с. — (Нанотехнологии). — Систем.
требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул.
экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-883-8
Основное внимание уделено главным аспектам нанотехнологий,
среди
которых:
терминология,
взаимосвязь
размерных эффектов и области применимости нанотехнологий,
классификация и основные группы данной отрасли деятельности, масштабирование процессов с целью промышленной
реализации. Рассмотрен ряд нанотехнологий, промышленно
освоенных в России.
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 978-5-93208-883-8
© Лаборатория знаний, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Глава 1. Вопросы терминологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 2. Принципиальные возможности 
и ограничения нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Глава 3. Нанотехнологии материалов и изделий  . . . . . 37
3.1. Технологии получения наноматериалов  . . . . . . . . . 38
3.2. Технологии наноструктур  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1. Атомная сборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2. Самосборка и самоорганизация . . . . . . . . . . 51
3.2.3. Модернизированные технологии  . . . . . . . . . 63
Глава 4. Масштабирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.1. Теория подобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2. Различные подходы к процессу масштабирования . . 79
4.2.1. Технологические испытания промышленных 
агрегатов натуральных размеров . . . . . . . . . 80
4.2.2. Создание промышленных установок 
из элементов, изученных в натуральных 
масштабах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.3. Физическое моделирование  . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.4. Разработка технологических цепочек, 
позволяющих компенсировать изменения 
показателей процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.5. Решение задачи масштабного перехода 
методами математического моделирования . . 90
4.2.6. Совместное применение экспериментального 
и математического подходов  . . . . . . . . . . . . 94

Оглавление
4.3. Теория масштабирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4. Масштабирование нанотехнологий  . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.1. Наномодифицирование огнеупорного 
связующего 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.2. Получение металл-углеродных 
наноматериалов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Глава 5. Нанотехнологии в России . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1. Производство наноразмерного рения . . . . . . . . . . . 118
5.2. Нанопокрытия на тканях  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3. Детонационные наноалмазы  . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4. Углеродные нанотрубки 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5. Разделение наноматериалов на фракции 
. . . . . . . . 167
5.6. Нанопозиционер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Список современных источников, посвященных 
теме нанотехнологий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время внимание к нанотехнологиям обусловлено не только перспективами, но и реальными 
внедрениями и увеличивающимся объемом выпуска 
продукции. Многие достижения нанотехнологий что 
называется на слуху. Это нанопористые фильтры, наноэлектроника, присадки в топливо, в промышленности — катализаторы, фуллерены, графены, углеродные 
нанотрубки и многое другое. Так или иначе нанотехнологии уже вошли в нашу жизнь. 
При этом применение наноразмерных веществ для 
создания реальных продуктов практиковалось довольно давно, правда неосознанно. Судя по всему, первыми использовали наноматериалы древние римляне. 
С целью получения красного стекла к шихте из песка 
и золы они добавляли золото. Теперь уже научно доказано, что именно наночастицы золота придают стеклу 
такой изысканный цвет. Намного позднее, в XVII веке, 
стекловаром из Гамбурга Андреасом Кассием разработан рецепт минеральной краски — кассиева пу?рпура, 
названного его именем. Краска изготавливается путем смешения растворов хлорного золота, хлористого 
олова и нашатыря. При введении кассиева пурпура в 
расплавленную стеклянную массу происходит окрашивание стекла в великолепный рубиновый цвет. Таким 
образом, стекла красного цвета в витражах средневековых церквей — продукт нанотехнологии.
Потенциальные возможности нанотехнологий весьма впечатляющие, их полноценная разработка и вне

Введение 
дрение сулят многообещающие перспективы. Однако 
необходимо отметить, что степень развития производства нанометровых объектов и изделий на сегодняшний 
день явно недостаточна. Другими словами, возможности
нанотехнологий и их продукции для промышленности 
и общества гораздо выше, нежели они используются в 
настоящий момент.
В данном учебном пособии рассмотрены различные аспекты нанотехнологий, а именно: вопросы терминологии, взаимосвязь размерных эффектов и области применимости нанотехнологий, классификация и 
основные группы нанотехнологий, проблема масштабирования процессов при переходе к крупному производству. Приведено описание ряда нанотехнологий, 
реализованных в промышленных масштабах в России, 
и получаемой продукции. 
Авторы 
признательны 
преподавателям 
кафедры 
ФНСиВТМ Архипову Д. И., Васильеву А. А. и Хайдарову Б. Б. за неоценимую помощь в подготовке рукописи. 
Также авторы выражают благодарность за содействие 
в подготовке учебного пособия начальнику лаборатории разделения изотопов НПО «Радиевый институт 
им. В. Г. Хло 
пина» Костылеву А. И., заведующему лабораторией ионно-плазменных процессов Ивановского 
государственного химико-технологического университета Горбергу Б. Л., главному научному сотруднику АО 
«ФНПЦ «Алтай» Петрову Е. А., директору Института 
физического материаловедения СО РАН Номоеву А. В., 
профессору кафедры Техники и технологии производства нанопродуктов Тамбовского государственного технического университета Дьячковой Т. П.

Глава 1
ВОПРОСЫ ТЕРМИНОЛОГИИ
Что же подразумевается под термином «нанотехнологии»? При формулировании определения данного понятия возникает ряд вопросов, проработка ответов на 
которые позволяет глубоко разобраться и понять его 
суть. 
В первую очередь обращает на себя внимание следующий момент: термин «нанотехнологии» чаще всего 
употребляется во множественном числе, что отличается от обычных названий различных областей науки 
и техники. В академической науке, в частности, употребляются следующие названия: социология, химия, 
материаловедение, археология, педагогика. А в технике и технологиях — металлургия, метрология, электротехника, горное дело, металлургия, транспорт. Все 
названные и множество других сфер человеческой деятельность изучают самые разнообразные явления, но 
тем не менее каждая из них представляет собой одну 
науку, одну область исследований и разработок. И ее 
название употребляется в единственном числе.
Например, в технике термин «микроэлектроника» 
определяет область разработки и создания устройств, 
работающих в диапазоне микрометров. При этом основным является их принцип действия, «физика» 
процессов, которая основана на определенном классе 
взаимодействия между электромагнитными полями и 
заряженными частицами. И аналитически данные взаимодействия отображаются совершенно определенными законами физики конденсированного состояния.

Глава 1
Другой пример. Микробиология — это наука о живых организмах, не видимых невооруженным глазом: 
бактериях, архибактериях, микроскопических грибах 
и водорослях. Также в предмет данной науки нередко включаются простейшие и вирусы. Таким образом, 
в микробиологии изучаются только биологические 
объекты малых размеров, которые функционируют по 
присущим им законам.
Или ядерная физика — это раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также 
их взаимодействие (ядерные реакции). Как и в предыдущих примерах, ареол изучения четко очерчен — 
атомное ядро. При этом главным в предмете ядерной 
физики как науки являются физические законы, описывающие и прогнозирующие существование и взаимодействие атомных ядер.
В нанотехнологиях ситуация несколько другая. 
К ним относится производство очень разнообразных 
объектов, при этом применяются знания из совершенно различных областей науки. Объединяет всю продукцию нанотехнологий только одно — ее размер. 
Например, различные наноразмерные устройства, неорганические нанопорошки, покрытия и пленки, углеродные и полимерные наноматериалы, нанокомпозиты 
различных составов и даже биологические объекты. 
Другими словами, нанотехнологией можно назвать 
любой процесс, создающий продукцию со строго определенными размерными характеристиками — в интервале от 1 до 100 нм. Соответственно, нанотехнологии 
включают в себя такие различные процессы, как катализ и создание наноструктуры воздействием интенсивной пластической деформации, производство графенов 
и защитных покрытий. Из этого следует, что любой 
биохимический процесс можно отнести к нанотехнологиям, так как он происходит в нанометровой области. 
Аналогично и производство почти любого фармацевтического препарата — витаминов, обезболивающих 

Вопросы терминологии 
9
средств, антибиотиков, сывороток — является областью нано 
техно 
логий.
Из сказанного ясно, что использование понятия 
«нанотехнологии» во множественном числе является 
вполне логичным. 
Как это обычно бывает в науке, ответ на один вопрос порождает следующие. Нельзя ли перейти от 
«нано 
технологий» к «нанотехнологии» — области знаний и умений с четкими объектами производства или 
изучения? Можно ли объединить нанопроцессы в несколько или даже одну научную дисциплину? В том 
случае, если это возможно, то в какие именно и на основе каких критериев?
Поиск решения данных вопросов будет обсуждаться далее.
Следующий диссонанс возникает при сопоставлении 
различных определений термина «нанотехнологии». 
Это непонимание вызвано противоречием в размерных 
характеристиках, используемых различными авторами 
при формулировании данного понятия. В этом вопросе 
должна быть полная ясность, поскольку размер объекта является единственным критерием принадлежности 
производимого или исследуемого объекта к нанотехнологиям.
В качестве примера ниже (и далее по тексту) приведен ряд определений, взятых из различных книг, 
посвященных нанотехнологиям.
Нанотехнологии — это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов.
Нанотехнологии — это техника манипуляции на 
атомарном уровне, т. е. технология, оперирующая величинами порядка нанометра, сопоставимыми с размерами атома.
Нанотехнологии — набор научных, технологических 
и производственных направлений, которые объединены 
в единую культуру, основанную на проведении операций 
с материей на уровне отдельных молекул и атомов.

Глава 1
Нанотехнологии можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях 
отдельными атомами и молекулами (т. е. методик регулирования структуры и состава вещества) в масштабах 1–100 нм.
Приведенные выше формулировки связывают термин «нанотехнологии» с манипуляциями на уровне 
отдельных атомов и молекул. Как будет показано в 
гла 
ве 3, наноразмерные объекты формируются двумя 
способами. В первую очередь по схеме «снизу вверх» 
путем соединения единичных атомов и молекул в 
целевую нанопродукцию. Другая схема — «сверху
вниз» — реализует процесс, в котором крупные материалы каким-либо способом измельчаются до наноуровня. Из сказанного ясно, что все представленные 
выше определения исключают из перечня нанотехнологий все процессы, осуществляющиеся по принципу 
«сверху вниз». 
Также при анализе из данных формулировок термина «нанотехнологии» обращает на себя внимание еще 
один аспект. Разве при размешивании сахара в кружке чая не происходит манипулирование веществом на 
молекулярном уровне? Или соли в супе? Подобных 
примеров физических процессов даже в повседневной 
жизни множество. При этом «нанотехнологиями» они 
не являются.
Следующий вопрос. Почему объем манипулирования должен обладать масштабом от 1 до 100 нм? Например, размеры реактора составляют 10u10u10 см, 
при этом производимый продукт имеет наноразмеры. 
Разве данный процесс не является нанотехнологией? 
Понятно, что объем манипулирования на принадлежность процесса к нанотехнологиям никоим образом не 
влияет и не может являться отличительным признаком при формулировании определений.
При формулировании понятия «нанотехнологии» 
через возможность оперирования с веществом на уров