Наномир без формул

Под редакцией
профессора Л. Н. Патрикеева

НАНОМИР 
БЕЗ ФОРМУЛ

Ю. И. Головин

4-е издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 60
ББК 20
Г60

Головин Ю. И.
Г60
Наномир без формул / Ю. И. Головин ; под ред. проф.
Л. Н. Патрикеева. — 4-е
изд.,
электрон. — М.
:
Лаборатория
знаний,
2020. — 546 с. — Систем.
требования:
Adobe
Reader
XI
;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст
:
электронный.
ISBN 978-5-00101-854-4
В книге систематизированы нанообъекты, методы их получения и исследования, описаны магистральные направления развития
науки о наноструктурах и важнейшие сферы применения нанопродуктов: электроника, аэрокосмическая техника, медицина и здравоохранение, оборона и национальная безопасность, потребительские
товары. Обсуждаются морально-этические проблемы и социальноэкономические последствия нанореволюции.
Для школьников, учителей, инженерно-технических работников
смежных отраслей, представителей социально-гуманитарных профессий, которые в ближайшем будущем могут столкнуться с нанотехнологиями в своих предметных областях или на бытовом уровне.
УДК 60
ББК 20

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наномир без формул / Ю. И. Головин ; под ред. проф. Л. Н. Патрикеева. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 543 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0292-5

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 978-5-00101-854-4
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9

Литература к введению . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18

Глава 1. Нанотехнологии — что это такое? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21

1.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21

1.2. Зачем нужны нанотехнологии? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34

1.3. Зарождение и развитие сферы нанотехнологий и ее перспективы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36

1.4. Организационные финансово-экономические аспекты развития
нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43

1.5. Социальные и гуманитарные аспекты развития нанотехнологий
48

Литература к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51

Глава 2. Азы нанотехнологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53

2.1. Специфика наномира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54

2.2. Роль свободных и внутренних поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . .
60

2.3. Зарождение и рост наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61

2.4. Размерные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64

2.5. Самоорганизация и самосборка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81

2.6. Две технологические парадигмы: «сверху вниз»
и «снизу вверх» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85

Литература к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88

Глава 3. Как это «пощупать», увидеть и измерить?. . . . . . . . . . . . .
90

3.1. Микроструктурный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94

3.2. Электронная микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101

3.3. Сканирующая зондовая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
106

3.4. Дифракционный анализ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
127

3.5. Спектральные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
138

3.6. Методы определения размеров наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . .
153

Литература к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155

Глава 4. Наноматериалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
158

4.1. Строительные, конструкционные и функциональные материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
162

4.2. Наночастицы и нанопорошки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
163

4.3. Наноуглеродные частицы и материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168

4.4. Тонкопленочные структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184

4.5. Объемные наноструктурированные материалы. . . . . . . . . . . . . . .
188

4.6. Природа физико-механических свойств наноматериалов . . . . . .
224

4.7. Стабильность структуры и свойств наноматериалов . . . . . . . . . .
227

4.8. Реализованные и перспективные применения наноматериалов .
229

Литература к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236

Оглавление

Глава 5. Наноэлектроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
242

5.1. Закон Мура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
242

5.2. Основные функции наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246

5.3. Фундаментальные пределы миниатюризации. . . . . . . . . . . . . . . . .
250

5.4. Совершенствование традиционной «кремниевой» электроники.
251

5.5. Микроэлектроника «рядом с кремнием». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280

5.6. Электроника «без кремния» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
285

Литература к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300

Глава 6. Нанотехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303

6.1. Наноприборы, наномашины, наносистемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303

6.2. Глобальная энергетика, энергосбережение и НТ . . . . . . . . . . . . . .
349

6.3. Нанотехнологии в аэрокосмической отрасли . . . . . . . . . . . . . . . . .
361

Литература к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
376

Глава 7. Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. .
378

7.1. Нанобиотехнологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
379

7.2. Наномедицина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
400

7.3. Нанотехнологии и защита окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . .
413

Литература к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
418

Глава 8. Нанотехнологии и нанопродукты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
421

8.1. Строительство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
421

8.2. Сельское хозяйство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
428

8.3. Пищевые продукты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
431

8.4. Потребительские товары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
433

Литература к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
439

Глава 9. Военные приложения нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . .
441

9.1. Оборонные нанотехнологические разработки. . . . . . . . . . . . . . . . .
442

9.2. Перспективы военных приложений нанотехнологических разработок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
450

Литература к главе 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
455

Глава10. Социогуманитарные аспекты развития нанонауки
и нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
456

10.1. Философский взгляд в будущее. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
461

10.2. Наноэтика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
471

10.3. Образование и просвещение в области нанотехнологий. . . . . . . .
479

10.4. Прогнозирование социально-экономических последствий нанореволюции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
501

10.5. Юридические аспекты развития нанотехнологий . . . . . . . . . . . . .
513

10.6. Охрана интеллектуальной собственности в области нанотехнологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
522

Литература к главе 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
533

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
539

ПРЕДИСЛОВИЕ

Если бы меня спросили, какая область науки и техники
может обеспечить нам прорыв в будущее, я бы назвал
нанотехнологию.

Из выступления в Конгрессе США (1998 г.)
проф. Н. Лейна — бывшего директора Национального
научного фонда США и советника президента США
по вопросам науки и техники

В последние несколько лет мы все чаще и чаще слышим слова с приставкой «нано»: наномир, нанонаука, нанотехнология, нанотехника, наноматериалы, наноэлектроника, нанобиотехнология, наномедицина и т. п.,
причем не только от ученых и инженеров, но и от администраторов, экономистов, экологов, медиков, политиков, социологов, журналистов. Это
и неудивительно — во времена взрывообразного развития новой области
науки, ее огромного значения для настоящего и будущего, так и должно
быть.
Десятичная приставка «нано» происходит
от греческого слова
«νανoσ» — карлик, гномик, но сейчас означает одну миллиардную часть
чего-либо. Таким образом, 1 нанометр — это одна миллиардная часть
метра или, что то же самое, одна миллионная часть миллиметра, или
одна тысячная часть микрометра. Аналогично, 1 наносекунда — это
одна миллиардная часть секунды и т. д. Десятичные приставки (в том
числе и «нано») к основным единицам используются уже многие десятилетия. Но в современном контексте применение терминов «наномасштабные объекты», «наноструктуры», «нанопродукция», «нанотехнологии» означает указание на новую сферу деятельности, изучающую
и использующую объекты наномира с очень специфическими (зачастую
уникальными) свойствами и обладающую вследствие этого гигантским
научно-технологическим и социально-экономическим потенциалом.
Достижения науки и высоких технологий последней четверти прошлого века убедительно продемонстрировали, какие громадные возможности сулит использование специфических явлений и свойств вещества
в нанометровом диапазоне размеров. Ключевыми особенностями при
этом являются размерные эффекты (сильная зависимость любых характеристик материала от определяющих размеров структуры в нано

Предисловие

масштабной области), способные радикально изменить свойства вещества, а также явления самосборки и самоупорядочения атомов и молекул на нанометровых расстояниях, как это делает живая природа в биологических объектах. И, воспользовавшись знанием этих особенностей,
можно добиться поразительных результатов при создании самых различных изделий и их последующем производстве в промышленных масштабах.
В индустриально развитых странах Запада нашествие нанотехнологий началось в конце прошлого столетия. На сегодняшний день уже
в 55 странах приняты и выполняются хорошо финансируемые комплексные национальные программы развития наноиндустрии, в которую входят: фундаментальная наука, разработка и производство нанопродукции, образование, здравоохранение, оборона и безопасность, экология.
По всем признакам мир вступает в эпоху тотальной нанореволюции,
способной затмить своими результатами последствия компьютерной революции конца XX в. Однако любая революция — это прежде всего переворот в сознании людей. Без него невозможно успешное развитие
каких бы то ни было новых отраслей знаний, экономики, социальных
отношений. В этой связи в первую очередь необходима экстренная программа ознакомления и обучения основам нанонауки и нанотехнологий не только инженеров и технологов, но и самых широких кругов
населения. Подобные программы приняты и получают государственное финансирование в США, Евросоюзе, ряде азиатских стран. Для
их постановки и обсуждения в России необходима определенная среда
и хотя бы небольшое «затравочное» количество специалистов различного профиля, знакомых с предметом в объеме, достаточном для осознания фронта и объема работ, стратегических, экономических и социальных последствий, преимуществ и опасностей освоения нанотехнологий
и нанотехники. Нужна также соответствующая литература.
Другая важная сторона этого вопроса — необходимость быстрого
кадрового обеспечения нарождающейся наноиндустрии. По оценкам экспертов из РОСНАНО, созданной в России в 2007 г., к 2015 г. для этой
отрасли экономики нашей стране потребуется около 1 млн специалистов
разного уровня. Их необходимо готовить уже сейчас, начиная знакомство с азами нанотехнологий прямо со школьной скамьи, чтобы сориентировать молодежь перед выбором профессии. Отчасти книга служит
этой цели.
Автор
стремился
сделать
книгу
доступной
и
увлекательной
для широкого круга читателей: школьников, учителей, инженернотехнических работников смежных отраслей, представителей социальногуманитарных профессий различных специальностей. В первую оче

Предисловие
7

редь это коснулось стиля изложения и использования формул. Последнее отражено в названии книги. До некоторой степени оно, конечно,
условно, поскольку небольшое число формул в книге все-таки есть.
Но их наличие не определяет характера изложения, сориентированного на понимание существа вопроса, доступного любому здравомыслящему человеку. При первом чтении их вполне можно пропускать без
большого ущерба для восприятия идей и осознания ключевых принципов нанотехнологий. Конечно, формулы изобретены для того, чтобы
в максимально компактной и общей форме отображать количественные связи в природе, но, с другой стороны, по остроумному замечанию
крупнейшего астрофизика Стивена Хокинга (кстати, не чуравшегося
написания замечательных научно-популярных книг), каждая формула
уменьшает число потенциальных читателей книги вдвое. Помимо полушутливой сентенции здесь также можно усмотреть и прекрасный
пример того, как математическое выражение для показательной функции легко и изящно переводится на обычный, но вместе с тем образный
язык.
Вместе с тем автору хотелось выстроить определенную логику изложения и систематизировать все основные направления развития науки
и нанотехнологий, а не давать «нарезку» разрозненных, пусть и интересных фактов. Разумеется, имелось в виду не только привести классификации этой обширной сферы, но и насытить материал наиболее
яркими примерами уже осуществленных и используемых на практике
разработок или обещающих быть таковыми в ближайшем будущем. Насколько удалось соединить и примирить эти зачастую противоречивые
устремления — судить читателю.
В значительной мере материал книги является обобщением опыта
международного сообщества и, до некоторой степени, — опыта автора
в деле организации наноцентра, разработки программ фундаментальных исследований и обучения основам нанотехнологий, инновационного
развития и социализации знаний в этой области. Постановка и решение проблем нематериального характера (одновременно с естественнонаучными и технологическими) составляют важнейшую часть стратегии общекультурного освоения продуктов нанотехнологий обществом.
Нет никакой возможности охватить и даже перечислить все аспекты этой многообразной междисциплинарной деятельности в небольшой книге. Вместе с тем автор стремился хотя бы кратко представить
все ключевые направления развития и сферы приложения нанотехнологий, отражая наиболее яркие и привлекательные стороны и очерчивая
круг вопросов первостепенной важности. Разумеется, предлагаемая читателю книга не может служить заменой специальных изданий по каж

Предисловие

дому из затронутых направлений, список которых дан в конце каждой
главы.
В столь широкой по охвату книге, безусловно, не везде удалось выдержать одинаковую глубину и стиль изложения, правильно расставить
акценты, сослаться на все существенные источники и избежать неточностей. Конечно, эта книга, как и всякая другая, не свободна от некоторой
субъективности, обусловленной профессиональными пристрастиями автора, эстетическими предпочтениями, ограниченностью объема и т. д.
Авторские книги — это ведь переплетенные люди, как однажды сказал
А. С. Макаренко. Автор вполне отдает себе в этом отчет и будет признателен за любые конструктивные замечания.
Книга написана при поддержке
грантов Федеральной целевой
программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009. . . 2013 гг.) и Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы»
(2009. . . 2010 гг.). Многие темы и ракурсы навеяны многолетним общением с многочисленными коллегами, среди которых особо хотелось бы
отметить В. И. Альшица, Р. А. Андриевского, Ю. В. Баранова, В. И. Бетехтина, П. Ю. Бутягина, А. М. Глезера, В. Е. Громова, С. Н. Дуба, Закревского, Э. В. Козлова, Н. Л. Клячко, М. М. Кришталла, Д. Л. Мерсона, Ю. В. Мильмана, Ю. А. Осипьяна , Б. И. Смирнова, Б. Я. Фарбера,
С. З. Шмурака. Большую помощь в оформлении рукописи оказали
О. В. Зайцева и С. С. Разливалова. Ряд полезных критических замечаний высказал мой сын Д. Ю. Головин. Инициировал издание книги профессор Л. Н. Патрикеев. Всем им автор выражает свою искреннюю признательность.

ВВЕДЕНИЕ

Размеры — «нано»,
возможности — «гига»!

Всего 4 или 5 лет назад лишь очень немногие российские ученые и инженеры работали в области исследования наноструктур и разработки
нанотехнологий (НТ), и далеко не все специалисты смежных областей
имели представление об этой сфере деятельности, не говоря уж о широких слоях общества. Однако после принятия нескольких федеральных
целевых программ, создания Российской государственной корпорации
нанотехнологий (РОСНАНО) с миллиардным в долларовом исчислении бюджетом, выступлений Президента РФ и членов Правительства
в средствах массовой информации о необходимости ускоренного освоения новых революционных технологий трудно найти человека, который
ничего не слышал о НТ. Более того, возникла волна ажиотажа, и в ее
шуме и пене могут потеряться ориентиры и затушеваться ключевые моменты.
Некоторые
искренне
верят
в
безграничные
возможности
НТ,
обещающие настоящую революцию в промышленном производстве
и социально-экономической сфере. Другие, и среди них есть серьезные
ученые, с явным неодобрением относятся к поднятой вокруг нанотехнологий суете и рассматривают это как неизбежное зло, всегда сопровождающее крупные проекты. Есть и те, кто считает крикливые заявления и оголтелую рекламу признаками очередного околонаучного
«пузыря», основной задачей которого является выкачивание бюджетных средств для финансирования своих лабораторий и исследований,
проводившихся, в общем-то, и до нанотехнологического бума.
Во взвешенной оценке ситуации нуждаются как сами ученые,
так и органы управления, отвечающие за распределение бюджетных
средств. Заинтересованы в этом и промышленные круги, и население
в целом. В конечном итоге, особенно в условиях рыночной экономики
и развитого гражданского общества, именно обыватель и рынок должны
решить (в том числе и путем инвестирования, голосования за бюджеты
и выбора тех или иных продуктов и услуг на рынке), жизнеспособно ли
и насколько конкурентно предлагаемое новое по отношению к традици

Введение

Рис. B.1. Почва, корни и плоды нанотехнологий

онному. Для осознанного выбора необходима объективная и доступная
информация, полученная всесторонним анализом достоинств и недостатков новых продуктов и услуг.
Большинство экспертов в области стратегического планирования,
научно–технической политики и инвестирования уверены, что в ближайшее десятилетие нас ждет новая научно-техническая революция —
нанореволюция, задействующая все области науки, производства, национальной безопасности, медицины, быта, отдыха и развлечений. Последствия ее будут обширнее и глубже, чем изменения, вызванные компьютерной революцией последней трети XX в. — ожидается широкомасштабное и системное вторжение наноструктурированных материалов, изделий и способов их получения буквально во все сферы жизни
(рис. B.1) [B.1– B.8]. Поэтому 55 развитых и развивающихся стран мира
к 2009 году имели в качестве приоритетных государственные программы

Введение
11

развития НТ, а число городов мира, в которых проводятся крупномасштабные исследования в нанонауке и жители которых опубликовали
более 1000 статей по НТ, приближается к 100 (рис. B.2). Из них только
три находятся в России (Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск) [B.9].
Так, например, в США в 2000 г. была принята федеральная
программа «Национальная нанотехнологическая инициатива» (ННИ).
Запланированные в ней ежегодные объемы инвестиций увеличились
за 5 лет почти в 4 раза и приблизились в 2004 г. к 1 млрд долларов. В настоящее время (2011 г.) программа продолжает выполняться и имеет
ежегодный бюджет свыше 1,5 млрд долларов. Важность развития НТ
также подтверждает тот факт, что инвестиции частных фирм и темпы
их роста заметно превышают правительственные, вследствие чего их
доля неуклонно возрастает (в США уже превышает объем ежегодного
федерального финансирования).
В 7-й Рамочной программе научно-технического развития Евросоюза на 2007–2013 гг. (EP7) раздел «Нанонаука, нанотехнологии, материалы и новые производственные технологии» относится к приоритетным и так же обильно финансируется (4,8 млрд евро, т. е. около 7 млрд
долларов США). Суммарно всеми странами, участвующими в нанотехнологической гонке, в исследования и разработки в области «нано»
инвестировано в 2008 г. около 15 млрд долларов (примерно половина
из них — вложения частного бизнеса). Стоимость продукции, выпущенной с использованием этих технологий, превышает 150 млрд долларов
в год. А если учесть, что современная микроэлектроника фактически
уже тоже вошла в нанообласть (технологический шаг 45 нм уже применяется в серийном производстве процессоров Intel с 2008 г., а шаг
32 нм освоен к началу 2010 г.), то суммарный рынок прямых и косвенных продуктов нанотехнологий вырос за последние три года примерно
в три раза (т. е. он рос со средней скоростью более 40 % в год) и сейчас составляет около 2 трлн долларов. Нет сомнений, что и в условиях
глобального экономического кризиса этот сегмент будет быстро нарастать из года в год, и именно ускоренное освоение новых революционных
технологий и поможет преодолеть накопившиеся проблемы и трудности.
До 2007 г. в России отсутствовала комплексная государственная программа развития НТ, хотя в рамках программ исследований и разработок по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса было предусмотрено выполнение работ по некоторым конкретным темам. Однако суммарный объем их финансирования не превышал
нескольких десятков миллионов долларов США, что было несопоставимо с ассигнованиями любой из развитых стран. Также удручает доля
России на мировом рынке продукции НТ — всего 0,07 %.

Рис. B.2. Города, в которых количество публикаций, попадающих в разделы «нанонаука и нанотехнологии»,
превышает 1000