Процессы получения наночастиц и наноматериалов : нанотехнологии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2142 

Кафедра функциональных наносистем 
и высокотемпературных материалов 

Э.Л. Дзидзигури 
Е.Н. Сидорова 
 

Процессы получения наночастиц
и наноматериалов. Нанотехнологии

Нанотехнологии 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2012 

УДК 620.22-022.532 
 
Д43 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, проф. Ю.С. Осипов 

Дзидзигури, Э.Л. 
Д43  
Процессы получения наночастиц и наноматериалов. Нанотехнологии : нанотехнологии : учеб. пособие / Э.Л. Дзидзигури, Е.Н. Сидорова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 71 с. 
ISBN 978-5-87623-605-0 

В учебном пособии рассмотрены вопросы терминологии в области нанотехнологий, проанализирована взаимосвязь размерных эффектов и области 
применимости нанотехнологий, описаны основные группы нанотехнологий, 
дана характеристика ряда новых, промышленно освоенных нанотехнологий.  
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 
210602 «Наноматериалы», 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также 
для студентов других направлений, преподавателей, аспирантов и слушателей курсов повышения квалификации. 
 

УДК 620.22-022.532 

ISBN 978-5-87623-605-0 
© Дзидзигури Э.Л., 
Сидорова Е.Н., 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
Вопросы терминологии............................................................................6 
2. Принципиальные возможности и ограничения 
нанотехнологий.......................................................................................14 
3. Нанотехнологии материалов и изделий ...........................................23 
3.1. Технологии получения наноматериалов ...................................23 
3.2. Технологии наноструктур...........................................................26 
3.2.1. Атомная сборка.....................................................................27 
3.2.2. «Самопроцессы»...................................................................33 
3.2.3. Модернизированные технологии........................................42 
4. Нанотехнологии в России..................................................................47 
4.1. Производство наноразмерного рения........................................48 
4.2. Нанопокрытия на тканях.............................................................55 
4.3. Нанопозиционер ..........................................................................63 
Библиографический список...................................................................69 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Интерес к нанотехнологиям каждый человек чувствует по публикациям в средствах массовой информации, в Интернете, в популярной и научной литературе. Рядом достижений нанотехнологий мы 
пользуемся уже сегодня: нанопористые фильтры, катализаторы, наноэлектроника, присадки в топливо и многое другое. Так или иначе, 
нанотехнологии входят в нашу жизнь. Но само применение наноматериалов в практических целях не является чем-то принципиально 
новым или необычным.  
Наверное, первыми нанотехнологами можно считать древних 
римлян. Добавляя золото к шихте из песка и золы, они получали 
красное стекло. Как мы теперь знаем, своим цветом оно обязано наночастицам золота. В XVII в. был разработан рецепт кассиева пурпура, названного по имени Андреаса Кассия, стекловара из Гамбурга. 
Кассиев пурпур – минеральная краска, которая готовится смешением 
на холоде раствора хлорного золота с раствором хлористого олова и 
нашатыря. Кассиев пурпур, введённый в расплавленную стеклянную 
массу, даёт великолепно окрашенное рубиновое стекло. Стекла красного цвета в витражах средневековых церквей – продукт данной нанотехнологии. 
Начиная с XVIII в. появляются описания отдельных исследований, представляющих интерес с точки зрения современных нанотехнологий. К ним относят работы М.В. Ломоносова по получению 
цветных стёкол с применением дисперсии металлов (1745–1755). 
Д.И. Менделеев в «Основах химии» упоминает коллоидные растворы 
золота синего, фиолетового и красного цвета. А первым, кто связал 
изменение цвета стекол с размером частиц вводимого золота, стал в 
1847 г. М. Фарадей. Изучая оптические свойства полученных растворов, учёный пришёл к выводу, что золото в них содержится в виде 
очень маленьких частиц. 
Как теперь известно, если любое твердое вещество измельчить до 
нанометровых размеров, его свойства станут сильно отличаться от 
свойств более крупных частиц. В частности, твёрдому золоту обычно 
присущ характерный желтый цвет. Однако в коллоидном растворе золотые частицы размером чуть больше 30…40 нм имеют пурпурный 
цвет, размером 10…20 нм – рубиновый, менее 10 нм – яркооранжевый. В лондонском музее Королевского института и сегодня 
можно увидеть две колбы с красным коллоидным раствором золота, 

полученным самим Фарадеем. Исходя из современных знаний, можно 
заключить, что этот раствор содержит частицы золота размером 20 нм. 
Уровень развития производства нанометровых материалов и изделий на сегодняшний день явно отстаёт от функциональных возможностей нанотехнологий. При этом их полноценная разработка и 
внедрение сулят нам многообещающие перспективы. Строго говоря, 
новые потенциальные возможности нанотехнологий и их продукции 
для промышленности и общества гораздо выше, нежели мы пользуемся ими в настоящее время. 
В пособии подробно рассмотрены вопросы терминологии в области нанотехнологий, проанализирована взаимосвязь размерных 
эффектов и области применимости нанотехнологий, описаны основные группы нанотехнологий, дана характеристика ряда новых, промышленно освоенных нанотехнологий.  
Предполагается, что читатель знаком с физическими и физикохимическими дисциплинами, современными методами исследования 
и др. Тем не менее при рассмотрении ряда вопросов в порядке напоминания будут приведены определения и общая характеристика некоторых понятий. 
Авторы выражают благодарность за содействие в подготовке учебного пособия начальнику лаборатории разделения изотопов НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина» Костылеву А.И., заведующему 
лабораторией ионно-плазменных процессов Ивановского государственного химико-технологического университета Горбергу Б.Л., с.н.с. 
НИТУ «МИСиС» Горчакову Ю.А. 
 

ВОПРОСЫ ТЕРМИНОЛОГИИ 

Что же надо понимать под термином «нанотехнологии»?  
При попытке сформулировать определение этого понятия возникает несколько вопросов, обсуждение которых позволит глубже разобраться в сути данного явления.  
Прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что термин 
«нанотехнологии», как правило, используется во множественном 
числе. Это не совпадает с традиционными наименованиями областей 
науки и техники. Например, в науке используются такие названия, 
как археология, баллистика, история, материаловедение, педагогика, 
социология. Или в технике – автоматика, горное дело, металлургия, 
стандартизация, транспорт, электротехника. Каждая из этих областей 
человеческих знаний и умений изучает множество самых разнообразных процессов, но, тем не менее, представляет собой одну науку, 
одну область исследований и разработок. В единственном числе. 
В самом деле, термин «микроэлектроника» в технике означает 
создание приборов, работающих в масштабе микрометров. Но, самое 
главное, их принцип действия основан на определённых видах взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными полями. И основы этого взаимодействия описываются совершенно определённой 
группой законов физики твёрдого тела. 
Или микробиология – наука о живых организмах, не видимых невооруженным глазом: бактериях, архибактериях, микроскопических 
грибах и водорослях, часто этот список продлевается простейшими и 
вирусами. В данной области знаний изучаются именно биологические объекты определённых размеров, которые функционируют может быть по разнообразным, но всё-таки биологическим законам. 
Ещё пример. Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их взаимодействие (ядерные 
реакции). И в данном случае объект исследования чётко очерчен – 
атомное ядро. Но главным в предмете науки являются те физические 
законы, которые определяют существование и взаимодействие атомных ядер. 
К нанотехнологиям, напротив, относят производство самых разнообразных устройств, при этом используются сведения из самых 
разных областей знаний. Объединяет все объекты нанотехнологий 
только одно – их размер. Это могут быть нанометровые устройства, 

неорганические порошки, полимерные плёнки, углеродные материалы, композиты различных составов и даже органические объекты.  
Таким образом, принадлежность какого-либо процесса к нанотехнологиям определяется только через возможность создания изделия 
со строго заданными размерными характеристиками. Следовательно, 
к нанотехнологиям можно отнести такие различные процессы, как 
катализ и обработка материалов методами интенсивной пластической деформации, создание нанотрубок и защитных покрытий. Строго говоря, любой биохимический процесс является нанопроцессом, 
поскольку протекает в нанометровой области. Соответственно создание почти любого лекарства: витаминов, обезболивающих препаратов, антибиотиков, сывороток является областью нанотехнологий. 
Таким образом, использование термина «нанотехнологии» во 
множественном числе вполне обосновано.  
Возникают закономерные вопросы. Можно ли превратить «нанотехнологии» в «нанотехнологию» – область умений и знаний с четко 
определенными объектами изучения и производства? Нельзя ли объединить возникающие в наномасштабах процессы в одну или несколько научных и технологических дисциплин; а если это возможно, то в какие именно и исходя из каких критериев? 
Ответ на эти вопросы будет дан далее. 
Второй момент, который обращает на себя внимание при знакомстве с данной областью человеческой деятельности, – это противоречие в размерных характеристиках, встречающихся в различных попытках дать определение термину «нанотехнологии». Поскольку 
размер изделия является основным критерием принадлежности процесса к нанотехнологиям, то в этом вопросе должна быть полная ясность. 
Приведём несколько определений. 

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. 

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. 
Нанотехнологии могут быть определены как совокупность технических процессов, связанных с манипуляциями молекулами и атомами в масштабах 1…100 нм. 

Все приведённые определения связывают понятие «нанотехнологии» с возможностью манипуляции отдельными атомами и молекулами. Забегая несколько вперёд, необходимо отметить, что изделия в 
нанотехнологиях могут создаваться двумя способами. Во-первых, по 
принципу «снизу – вверх» из отдельных атомных или молекул, которые затем собираются в необходимые нанообъекты. Во-вторых, 
«сверху – вниз» из крупных исходных объектов путём их измельчения каким-либо способом до наноуровня. Таким образом, все представленные формулировки сразу же вычёркивают из совокупности 
нанотехнологий процессы, которые идут по схеме «сверху – вниз».  
Кроме того, при анализе данных определений напрашивается ещё 
один вопрос. Разве всякий раз, когда происходит растворение кусочка сахара в стакане чая, мы не манипулируем веществом на молекулярном уровне? Примеров подобных повседневных физических процессов множество. Но нанотехнологиями они всё же не являются. 
И ещё одно замечание. Почему манипулирование должно проходить 
в масштабах от 1 до 100 нм? А если объём реактора 10 × 10 × 10 см, но 
продукт имеет наноразмеры, этот процесс нельзя отнести к нанотехнологиям? Очевидно, что объём манипулирования никоим образом 
не влияет на принадлежность технологии к нанотехнологиям. 
При определении нанотехнологий через возможность проведения 
операций с материей на уровне отдельных молекул и атомов возникает вопрос: чем нанотехнологии отличаются от химии, все операции 
в которой идут на уровне отдельных молекул и атомов? Наверное, 
работа с отдельными атомами не является отличительным признаком 
нанотехнологий, а только одним из возможных процессов получения 
необходимой продукции. 
Ещё одно определение. 

Под термином «нанотехнологии» понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых реализуется в нанометровом масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. 

Трудно представить себе устройство «в диапазоне размеров атомов». Напомним, что диаметр атома в 4–10 раз меньше одного нанометра. Всё, что имеет размер 2…3 Ǻ – это просто свободный атом 
или небольшая молекула, блуждающие в пространстве. Одиночный 
атом не имеет агрегатного состояния, не обладает механическими 
свойствами в нашем привычном понимании. К отельному атому не 
применимы такие понятия, как электросопротивление или теплопроводность. Другими словами, один атом не имеет многих свойств, которые появляются у совокупности атомов. 
Создать материал в диапазоне размеров атомов или молекул – это 
просто испарить вещество. Вряд ли данный процесс можно отнести к 
нанотехнологиям. 
В одном нанометре содержится порядка 50 атомов. И это образование, часто называемое «кластер», уже может быть охарактеризовано какой-то структурой (не обязательно кристаллической), которой 
присущи все свойства твёрдого тела. Правда, уровень этих свойств 
может не совпадать с таковыми для крупнокристаллических материалов. 
Другими словами, наноструктуры являются наименьшими твёрдыми материалами, которые существуют в природе и которые можно 
сделать искусственным путём. И размер этих объектов по крайней 
мере на порядок больше, чем диаметр атома.  
Если размер нижней границы существования нанотехнологий в 
первом приближении понятен, то величина верхнего предела, обозначенная во всех определениях в 100 нм, на самом деле является 
весьма размытой. В этой связи необходимо обратить внимание на то, 
что строго наноразмерными могут считаться только те изделия, величина которых находится в интервале от 1 до 9 нм. Объект в 10 нм – 
это уже 10–8 м, что на порядок больше нанометровой области. Тем 
более 100 нм, что соответствует 10–7 м. Эта величина, при чисто формальном подходе, очень далека от собственно наноразмеров. 
А если размер устройства, например, 101 нанометр? Это изделие 
следует отнести к нанотехнологиям или к микротехнологиям? Где 
проходит граница между нано- и микромиром? И ещё. Каков может 
быть разброс по размерам в наносистемах? Если изделие состоит из 
объектов от 80 до 200 нм – это продукция нанотехнологий? Какой 
процент наноразмерной фракции должен быть в изделии, чтобы его 
можно было отнести к продукции нанотехнологий?  
С учетом всего вышесказанного, говоря о нанотехнологиях, надо 
всякий раз уточнять, что именно имеется в виду. При этом одного 

ответа для всех технологических применений, по-видимому, быть не 
может. 
Наконец, третий вопрос, который возникает при формулировании 
понятия «нанотехнологии». Это наука? Или технологии? (Хотя неверно, когда определяемый и определяющий термины совпадают, но 
для простоты остановимся на этом варианте.)  
В приведённых выше формулировках нанотехнологии определяются через технологии, технику, совокупность технических процессов и методик.  
В других случаях нанотехнологии определяются как наука. 

Нанотехнологии – чрезвычайно перспективная наука.  
Нанотехнологии – это собирательный термин для теоретических и практических научных разработок в масштабах одной миллионной доли миллиметра, где размерные эффекты открывают доступ к принципиально новым открытиям и методикам. 
Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными 
системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и 
биологическими свойствами. 

Согласно толковому словарю Ожегова наука – это система знаний 
о закономерностях развития природы, общества и мышления. А вот 
определение из Википедии: «Наука – особый вид познавательной 
деятельности, направленной на получение, уточнение и производство объективных, системно-организованных и обоснованных знаний о 
природе, обществе и мышлении». Термин «наука» употребляется 
также для обозначения отдельных областей научного познания – физики, химии, биологии и т.п. 
Таким образом, наука если и связана с производством, то только 
производством знаний, но никак не материальных благ.  
Кроме того, обращает на себя внимание, что в обоих определениях термина «наука» присутствует слово «система». Для разъяснения 
вопроса, насколько нанотехнологии могут обладать одним из отличительных признаков науки – быть системно-организованными знаниями, рассмотрим следующий пример.  
Исследование металл-углеродных наноматериалов показало, что 
использование нанокомпозитов системы С–Co–Gd чрезвычайно эф

фективно для диагностики ранней стадии онкологических заболеваний. Для того чтобы получить данный порошок и оптимально его использовать, необходима работа учёных нескольких направлений науки. Прежде всего, выплавка металлов и сплавов заданного состава – 
это задача металлургов. Изучить состав, дисперсность, морфологию 
нанопорошков должны материаловеды. Далее, инкапсулирование 
металлических частиц в углеродную, полимерную или органическую 
матрицу является областью знаний химиков-органиков. После этого 
опять необходима материаловедческая аттестация уже композиционного наноматериала. Наконец, физиологические и клинические испытания проводят биологи и медики. 
Таким образом, для разработки технологии синтеза и использования в медицине нанопорошков системы С–Co–Gd необходимо участие учёных по крайней мере четырёх направлений науки. 
Хотя производство металл-углеродных нанокомпозитов безусловно можно отнести к предмету нанотехнологий, все области знаний, 
использованные для создания данного материала, вряд ли можно 
объединить в одну науку. Возможно, когда-нибудь наука достигнет 
такого совершенства, что будет представлять собой единое целое, без 
деления на отдельные ветви познания. Но в настоящее время сложно 
себе представить, чтобы металлургия и физиология были объединены в единую, пусть даже комплексную, науку – системноорганизованные знания о природе.  
В свою очередь, в толковом словаре Ожегова содержится следующее определение понятия «технология»: технология – это совокупность производственных методов и процессов в определенной отрасли производства. В Википедии этот термин определяется так: технология (от греч. τέχνη – искусство, мастерство, умение; древнегреч. 
λόγος – мысль, причина; методика, способ производства) – комплекс 
организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами. Из этих формулировок следует, что именно технологии направлены на производство 
продукции для потребителя с необходимыми свойствами и приемлемой стоимостью. В науке, наоборот, цена, например, опытной партии 
материала может быть настолько высока, что исключает возможность её коммерческой реализации. 
В определении Американского общества по испытанию материалов (ASTM) акцент сделан на технологическом аспекте.