Удивительные наноструктуры

УДИВИТЕЛЬНЫЕ 
НАНОСТРУКТУРЫ

NANOSCALE

Visualizing an Invisible World 

Words by

 eyes

Illustration by

 eyes

The MIT Press
Cambridge, Massachusetts
London, England

УДИВИТЕЛЬНЫЕ 
НАНОСТРУКТУРЫ

Кеннет Деффейс и Стефен Деффейс

4-е издание, электронное

под редакцией проф. Л. Н. Патрикеева

Перевод с английского
канд. физ.-мат наук А. В. Хачояна

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 544+548+549
ББК 22.37+26.21+26.30+26.31
Д39

Права на русскоязычное издание приобретены
через Агентство Александра Корженевского (Москва)
Деффейс К.
Д39
Удивительные наноструктуры / К. Деффейс, С. Деффейс ;
пер. с англ. ; под ред. Л. Н. Патрикеева. — 4-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 209 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-817-9
В данном красочном издании собраны точные и удивительно красивые
изображения структур разнообразных объектов наномира. Некоторые из них
представляются очень простыми, другие же, напротив, весьма сложны.
Однако во всех случаях мы видим странные и интересные объекты,
иллюстрирующие строение веществ на атомарном уровне. Предлагаемые
структуры позволяют читателю оценить неожиданные возможности «наноархитектуры» и уловить взаимосвязь между особенностями строения
и известными физико-химическими свойствами веществ. Все иллюстрации
снабжены короткими рассказами, написанными на высоком научном уровне.
Для широкого круга читателей. Книга может использоваться также
и школьными педагогами в качестве учебного пособия, например по химии
и физике, так как ее чтение не требует специальных знаний, кроме самых
общих представлений о кристаллической решетке, атомах и химических
связях.
УДК 544+548+549
ББК 22.37+26.21+26.30+26.31

Деривативное издание на основе печатного аналога: Удивительные наноструктуры / К. Деффейс, С. Деффейс ; пер. с англ. ; под ред. Л. Н. Патрикеева. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 206 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0432-5

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 978-5-00101-817-9

c○ 2009 Massachusetts Institute of Technology. Russian
translation is published by permission of The MIT
Press (USA) via Alexander Korzhenevski Agency
(Russia)

c○ Перевод, оформление. Лаборатория знаний, 2015

4

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

Посвящается памяти
Лайнуса Полинга и Роджера Хэйворда

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Содержание

Предисловие редактора и переводчика ......................................... 9

Введение ....................................................................................... 12

1. Воздух..................................................................................... 17

2. Лед и пары воды .................................................................... 20

3. Золото.................................................................................... 25

4. Виды химических связей ........................................................ 28

5. Хлорид натрия ....................................................................... 31

6. Алмаз...................................................................................... 34

7. Алмаз с гексагональной структурой ..................................... 39

8. Нанотрубки и фуллерены ...................................................... 42

9. Асбест .................................................................................... 45

10. Пироксен ................................................................................ 51

11. Аминокислоты ....................................................................... 54

12. Фосфат .................................................................................. 57

13. Альфа-спирали и бета-слои................................................... 60

14. Лизоцим ................................................................................. 65

15. Лекарства .............................................................................. 68

16. Гемоглобин ............................................................................. 71

17. Хлорофилл .............................................................................. 76

18. Уреаза .................................................................................... 83

Содержание

19. Липидная мембрана ............................................................... 88

20. Вирус палочковидной формы ................................................. 91

21. Вирус икосаэдрической формы .............................................. 96

22. Открытие элементарной кристаллической ячейки ............. 99

23. Двойниковые кристаллы.......................................................105

24. Двойникование кальцита .....................................................110

25. Плоскость двойникования кальцита ...................................113

26. Плоскость двойникования доломита ...................................116

27. Кварц.....................................................................................123

28. Плотная упаковка кристаллов металлов............................128

29. Винтовая дислокация ...........................................................131

30. Эрионит ................................................................................134

31. Фоязит..................................................................................137

32. Смазочные материалы .........................................................142

33. Монтмориллонит .................................................................145

34. Морфология перовскита .......................................................148

35. Сверхпроводящий перовскит ................................................151

36. Кремниевый диод ..................................................................154

37. Топливный элемент ..............................................................157

38. Лазерные кристаллы.............................................................160

39. Сверхконденсатор.................................................................166

40. Эпитаксиальный рост кристаллов ......................................169

41. Мемристор............................................................................173

42. Ферромагнетизм ...................................................................177

43. Редкоземельные магниты .....................................................180

Содержание

44. Флэш-память........................................................................183

45. Металлическое стекло .........................................................186

46. Спинодальное разложение ....................................................189

47. Диамантан ...........................................................................193

48. Плитки Пенроуза .................................................................196

49. Дифракция от узоров Пенроуза ...........................................199

50. Квазикристалл ......................................................................204

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

Предисловие
редактора

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
и переводчика

В последние годы появилось множество изданий, посвященных нанотехнологиям, но книга, которую
вы держите в руках, выделяется на
их фоне своей наглядной простотой
и при этом необычностью. В ней
собраны изображения «невидимых»
даже под микроскопом разнообразных структур, характерные размеры которых лежат в нанометровом
диапазоне. Некоторые из них представляются очень простыми (другие,
напротив, весьма сложными), однако во всех случаях мы видим странные и интересные объекты, иллюстрирующие строение веществ на
атомарном уровне. В этом отношении книга весьма поучительна и
может использоваться даже школьными педагогами просто в качестве
учебного пособия, например по химии и физике. Ее чтение, кстати,
не требует специальных знаний,
кроме самых общих представлений

о кристаллической решетке, атомах,
химических связях и т. п. Предлагаемые структуры позволяют читателю оценить неожиданные возможности «наноархитектуры» и уловить
взаимосвязь между особенностями строения с известными физикохимическими свойствами веществ
(твердость, цвет, токсичность и т. п.).
Более того, читатель сам может легко убедиться, насколько условны
представления о простоте или сложности, особенно когда речь идет о
биологических соединениях или о
кристаллических решетках с несколько необычными свойствами
симметрии.
Все иллюстрации снабжены короткими рассказами, написанными
на высоком научном уровне. Их
автором является профессор геологии, известный американский специалист в области нефтеразведки
Кеннет С. Деффейс, который до

Удивительные наноструктуры

недавнего времени очень успешно
занимался полевой геологией и преподавательской деятельностью в
Принстонском университете, а также участвовал во множестве научноисследовательских проектов. В последние годы он написал несколько
книг по экономическим вопросам,
связанным с добычей, распределением и геополитикой нефти, завоевавших популярность у читателей.
Поэтому читатель найдет в этой
книге много кратких, но содержательных интересных историй, связанных с открытием новых веществ,
разработкой и практическим внедрением новых материалов, физико-химических процессов и технологий. Из книги можно получить
много полезных сведений о механизмах взаимодействия науки, большого бизнеса и правительства в
США. Именно эти вопросы сейчас
интенсивно обсуждаются в нашей
стране в связи с попытками реорганизовать Российскую академию
наук и создать эффективный механизм инновационного развития.
Строгий, научно обоснованный
характер описаний наноструктур и
явная влюбленность в них автора
позволили редактору дать далекое от
дословного перевода название этому произведению — «Удивительные
наноструктуры».
Важной особенностью книги выступает также подчеркнутое отношение к экологическим проблемам.

Внедрение нанотехнологий (и, соответственно, продуктов их производства), естественно, связано с
рисками и неизбежными последствиями как для здоровья человека, так и для окружающей среды,
которое, как известно, очень трудно прогнозировать и оценивать. На
простых примерах (например, при
описании материалов в разделах 9
и 10) читатель может оценить условность и обоснованность (или,
наоборот, преувеличенную осторожность) попыток точного определения опасности использования
новых материалов и рисков, связанных с их применением. В книге
приводятся очень интересные (и сбалансированные по трактовке) факты, связанные с экологической
опасностью конкретных материалов. Для нанотехнологий эта проблема имеет специфические особенности, и издательство «БИНОМ.
Лаборатория знаний» готовит сейчас к выпуску ряд книг по этой тематике.
Еще одним достоинством книги выступает практическая «современность» рассматриваемых в ней
понятий и структур. Дело в том, что
стремительное развитие нанотехнологий часто приводит к неожиданно быстрой реализации идей и
проектов. В связи с этим, например, стоит обратить внимание читателей на раздел книги, посвященный мемристорам. Теоретически

Предисловие редактора и переводчика

предсказывалось, что такие устройства должны обладать существенными преимуществами по сравнению
с известными всем транзисторами.
В частности, они должны потреблять
очень мало энергии (то есть практически не будут нагреваться вообще), быть гораздо проще в изготовлении, обладать «энергонезависимой памятью» и (что представляется
наиболее важным) иметь очень маленькие размеры. Последние годы
в мире развернулась серьезная «гонка» в исследованиях таких устройств, и в апреле этого года, во
время подготовки перевода данной
книги, сразу несколько американ
ских фирм объявили о создании
мемристоров с требуемыми параметрами. Время их переключения
составляет одну наносекунду, а характерный размер — около 10 атомов. Тем самым физический предел миниатюризации электронных
устройств (вспомним хорошо известный закон Мура!) в очередной раз
отодвигается.
Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой нестандартную подборку наноструктур
и их описаний. Редактор и переводчик надеются, что она будет полезной и интересной для широкого
круга читателей.

Л. Н. Патрикеев,
А. В. Хачоян

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○

○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
Введение

В период с 1905 по 1910 г. Альберт Эйнштейн опубликовал целую
серию статей, посвященных разным
экспериментальным и теоретическим методикам определения числа
Авогадро (количество структурных
единиц (атомов, молекул, ионов,
электронов или любых других частиц) в одном моле любого вещества). Это число — не только одно
из важнейших понятий атомистической теории, оно характеризует
размеры атомов и тем самым косвенно подтверждает факт их реального существования. Фраза о «реальности атомов» может показаться читателю странной, однако вопрос о
том, являются атомы и молекулы
действительно существующими частицами (а если да, то каковы их
реальные размеры?) или просто
очень удобной моделью строения
вещества, был весьма актуален в
начале прошлого столетия. Эйнштейн посвятил этой проблеме много внимания и времени* и предложил использовать для определения
числа Авогадро непосредственно из
меряемые в экспериментах величины следующих параметров:

· осмотическое давление в растворах сахара;
· случайные перемещения частиц
микрометрового размера в различных жидкостях (броуновское
движение);
· опалесценция (физики называют этим термином резкое изменение коэффициента рассеяния
чистых веществ вблизи точек
фазовых переходов);
· рассеяние света в атмосфере, в результате чего мы видим небо голубым или синим.

Значения числа Авогадро, полученные при изучении этих явлений,
совпадали с точностью лишь до нескольких процентов, но этот факт
не имел никакого принципиального значения, так как целью длительных и сложных экспериментов было
не определение числа с высокой
точностью, а установление и подтверждение самого факта его суще
* Докторская диссертация Эйнштейна называлась «Новое определение размеров молекул». — Прим. перев.

Введение

ствования. Удивительно, но это число должно было неявно (но весьма
убедительно) свидетельствовать о
разумности возникавшей в те годы
атомной теории. Наличие некоторого числа доказывало реальность
атомов!
Во время проведения экзамена
по физике от преподавателя можно
ожидать каверзный вопрос «Чему
равно число Авогадро, исходя только из того, что небо имеет голубой
цвет?» Неопытный студент теряется, так как в условиях задачи вообще отсутствуют какие-либо конкретные значения физических параметров. Однако для решения задачи
в ее разных вариантах требуется
знать всего одну фундаментальную
величину, приближенное значение
которой имеет смысл просто запомнить (при нормальных условиях
1 моль любого газа занимает объем,
равный 22,4 литра). Исходя из этого любой студент может провести
рассуждения по следующей схеме.
Количество молекул в микрообъемах (например, в микроскопических кубиках) газа, естественно, пропорционально их объему, то есть
длине кубика, возведенной в третью степень, следовательно, число
молекул в кубике с ребром 700 нм
(длина волны красного света) примерно в пять раз больше, чем в кубике с ребром 400 нм (длина волны
голубого света). С другой стороны,
статистическая неопределенность

(флуктуация числа молекул) внутри любого такого кубика обратно
пропорциональна квадратному корню из числа частиц, так как в более
мелких кубиках содержится гораздо меньше атомов. С точки зрения
физики, это приводит к очень простому выводу, что свет рассеивается в атмосфере значительно интенсивнее именно на многочисленных
мелких «кубиках» (длина сторон
которых равна 400 нм и примерно
соответствует длине волны голубого света), а не на красных «кубиках» с ребрами длиной 700 нм. Поэтому после рассеяния на флуктуационных «кубиках» таких размеров
частоты солнечного излучения меняются и придают небесному своду
привычную светло-голубую окраску. Метод позволяет грубо оценить
число Авогадро, но если талантливый студент дополнительно «догадается», что неопределенность для
«голубого» кубика составляет около 1 % от полученного значения, то
он сможет теоретически вычислить
число Авогадро с точностью на два
порядка выше той, которая достигается посредством самых точных экспериментов! Кстати, точное решение проблемы голубой окраски неба
приведено в статье самого А. Эйнштейна, опубликованной в 1910 г.
(журнал Annalen der Physic, vol. 33,
p. 1275).
Давайте задумаемся и о том,
а можно ли вообще как-то разглядеть