Современные проблемы нанотехнологий

Москва  2022

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 

 

Кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных 

материалов

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ  
НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4428

УДК 620.3 
 
С56

Р е ц е н з е н т 

канд. физ.-мат. наук, доц. Е.А. Комарницкая

А в т о р ы : 

Э.Л. Дзидзигури, А.А. Васильев, Б.Б. Хайдаров,  

Е.В. Захарова, Е.Н. Сидорова

С56  
Современные проблемы нанотехнологий : учеб. посо-

бие / Э.Л. Дзидзигури [и др.].– Москва : Издательский 
Дом НИТУ «МИСиС», 2022. – 99 с.

ISBN 978-5-907560-05-5

В учебном пособии рассмотрены такие проблемы нанотехнологий, 

как масштабирование процессов в целях их промышленной реализа-
ции и вопросы исследования наноматериалов. Описаны новые мето-
ды исследования наноматериалов и обработки экспериментальных 
данных, разработанные на кафедре функциональных наносистем и 
высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС», их возможности 
и полученные результаты.

Пособие предназначено для обучающихся в бакалавриате, маги-

стратуре и аспирантуре по укрупнённой группе специальностей и на-
правлений 22.00.00, а также по направлению подготовки 28.04.03 
«Наноматериалы». Может быть рекомендовано обучающимся по дру-
гим направлениям подготовки, а также преподавателям, аспирантам 
и слушателям курсов повышения квалификации.

УДК 620.3

 Коллектив авторов, 2022

ISBN 978-5-907560-05-5
 НИТУ «МИСиС», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений ............................................................ 4

Введение ........................................................................... 5

1. Масштабирование ........................................................... 6

1.1. Что такое масштабирование ....................................... 6
1.2. Теория подобия ........................................................ 9
1.3. Различные подходы к процессу масштабирования ....... 14
1.4. Теория масштабирования......................................... 27
1.5. Масштабирование нанотехнологий ............................ 29

1.5.1. Наномодифицирование огнеупорного связующего . 29
1.5.2. Получение металл-углеродных наноматериалов .... 38

2. Проблемы исследования наноматериалов ......................... 42

2.1. Особенности исследования наноматериалов ................ 42
2.2. Метод расчёта распределения окр по размерам ............ 50
2.3. Метод определения состава наноразмерного твёрдого 
раствора ...................................................................... 64
2.4. Метод определения толщины оксидной плёнки на 
порошках металлов ....................................................... 73

3. Методы обработки экспериментальных данных ................ 83

3.1. Компьютерная программа adp .................................. 83
3.2. Компьютерная программа deam ................................ 87

Библиографический список ............................................... 94

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

В учебном пособии приняты следующие сокращения:
ВРЭМ – электронная микроскопия высокого разрешения;
ИК – инфракрасный;
ЛПЦ – листопрокатный цех;
ЛСД – диэтиламид лизергиновой кислоты;
НА – наноалмаз;
НЧ – наночастицы; 
ОКР – область когерентного рассеяния;
ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия;
РФА – рентгенофазовый анализ;
СЭМ – сканирующая электронная микроскопия;
УПК – установка «печь-ковш»; 
DTG – дифференциальная термогравиметрия; 
NASA – Национальное управление по воздухоплаванию и ис-

следованию космического пространства (США).

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время производство наноразмерных объектов 

значительно отстаёт от функциональных возможностей нанома-
териалов и изделий из них. Можно говорить о том, что истинную 
значимость для промышленного прогресса и совершенствования 
потребления скорее можно усмотреть в новых потенциальных 
возможностях нанотехнологий и продукции, получаемой с их 
использованием, нежели в тех технологиях и нанопродукции, 
которыми человечество пользуется в настоящее время. При этом 
полноценная разработка и внедрение нанотехнологий сулят обществу 
весьма многообещающие перспективы.

Интерес к нанотехнологиям отражается в публикациях в 

средствах массовой информации, в популярной и научной литературе. 
Ряд достижений в области нанотехнологий используется 
уже в наши дни. Это нанопористые фильтры, нанокатализаторы, 
наноэлектроника, наноразмерные присадки в топливо, нанораз-
мерные углеродные материалы и многое другое. Так или иначе, 
нанотехнологии входят в жизнь каждого человека. 

Учебное пособие посвящено проблемам масштабирования 

технологических процессов, в том числе процессов производства 
наноразмерных объектов, и вопросам исследования наноматери-
алов. Представлены три метода исследования наноматериалов, 
а также два способа математической обработки и анализа экспериментальных 
данных, разработанные на кафедре функциональных 
наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ 
«МИСиС».

Материал, представленный в учебном пособии, рассчитан на 

подготовленного читателя, знакомого с естественнонаучными 
дисциплинами – математикой, физикой, химией, в особенности 
с физической химией, а также с принципами, на которых базируются 
современные методы исследования. Тем не менее для облегчения 
понимания в ряде случаев курсивом приводятся некоторые 
определения и краткие комментарии.

1. МАСШТАБИРОВАНИЕ

1.1. Что такое масштабирование

В настоящее время для многих отраслей промышленности 

характерен переход к созданию агрегатов с большой единичной 
мощностью. При увеличении габаритных размеров (масштаба) 
реакционных и иных установок, как правило, возрастает неравномерность 
распределения материальных потоков, меняются 
параметры перемешивания и межфазные поверхности контак-
та, увеличивается турбулентность или циркуляционные конту-
ры, появляются застойные зоны, образуются каналы и т.п., а 
также неизбежно происходит трансформирование параметров 
конструкционных элементов аппаратов. Всё это обусловливает 
изменение характеристик технологических процессов по срав-
нению с лабораторными установками, в частности степени пре-
вращения вещества, состава конечных продуктов, удельной 
производительности, энергозатрат и т.д. При этом увеличение 
масштаба оборудования обычно приводит к ухудшению произ-
водственных показателей, что называется масштабным эффек-
том. 

Опыт эксплуатации оборудования в промышленных услови-

ях показывает, что масштабные эффекты наблюдаются прак-
тически всегда при увеличении диаметра или высоты агрегата. 
Несмотря на то что элементы конструкций, а также удельные 
нагрузки могут остаться неизменными по сравнению с лабора-
торными установками, эффективность проводимых процессов 
существенно снижается. Если не принять специальных мер, то 
эффективность крупногабаритного устройства может снизиться 
в 3–8 раз по отношению к значениям, установленным в ходе на-
учных изысканий. В связи с этим весьма актуальной является 
возможность обеспечения в промышленных условиях таких зна-
чений показателей процессов, которые были зафиксированы на 
устройствах меньших размеров. Это и есть основная задача мас-
штабирования.

Масштабирование (масштабный переход) – это комплекс 

мероприятий по адаптации технологического процесса к изме-

нению объёма производства с сохранением воспроизводимости 
результатов, полученных на устройствах другого размера и кон-
струкции.

Масштабный эффект – снижение эффективности установок 

при увеличении их размеров.

Термин «масштабируемость» используется в различных от-

раслях человеческой деятельности. Например, в бизнесе. В ин-
форматике этот термин означает, что IT-системы возможно 
увеличивать или сокращать в соответствии с поставленными за-
дачами. 

Масштабирование бывает двух видов – горизонтальное и вер-

тикальное. Горизонтальное масштабирование – это аналог экс-
тенсивного роста производства. Объём выпуска продукции при 
этом растёт за счёт добавления новых аппаратов небольшой 
мощности. При вертикальном масштабировании увеличиваются 
размеры основного агрегата. Это интенсивный рост.

В технических отраслях промышленности под масштабированием 
понимается, как правило, его вертикальная разновидность.


Один из наиболее известных примеров масштабирования 

привёл в своей книге Д. Свифт «Путешествия Гулливера». У лилипутов 
возникла проблема кормления гигантского пленника, 
когда Гулливер попал в их страну. Писатель предлагает следующий 
критерий масштабного перехода: поскольку Гулливер в 
12 раз выше ростом, чем местный житель, то ему полагается 
123 = 1728 порций, предназначаемых для лилипута. По мнению 
автора, масштабирование оказалось удачным: Гулливер совершил 
множество всяких подвигов и в конце концов освободился 
из плена.

Свою знаменитую книгу Д. Свифт написал в 1726 году. За 

критерий масштаба писатель взял рост Гулливера и возвёл его 
в третью степень, полагая, что масса и объём великана и лилипута 
равны их росту в кубе. С позиции сегодняшнего времени 
можно сказать, что это масштабирование проведено неверно. 

В 1869 году, на 140 лет позже выхода в свет «Путешествия 

Гулливера», бельгийский социолог и статистик А. Кетле вы-

вел формулу индекса массы тела, согласно которой масса людей 
пропорциональна их росту в квадрате. Таким образом, по этой 
формуле Гулливеру достаточно было всего 144 порции, предназначаемые 
лилипуту. Однако спустя ещё 60 лет М. Клайбер 
сформулировал так называемый метаболический закон 3/4: 
скорость основного обмена, т.е. минимальное количество энергии, 
расходуемое организмом для поддержания жизнедеятельности 
в состоянии покоя, пропорционально массе организма в 
степени 3/4. Согласно данному закону, Гулливеру надо было выделять 
только 42 лилипутских порций.

Приведём ещё один, на этот раз реальный, пример масштабирования 
на основании массы. Относительно недавно некоторая 
биологическая лаборатория проводила испытание препарата 
ЛСД. Сначала действие лекарственного средства проверяли 
на мелких животных, затем – на крупных, и только потом 
препарат тестировали на человеке. При этом подбор дозировки 
лекарства в этой лаборатории проводили исходя из массы тела 
живого организма. Соответственно, после проведения испытания 
данного препарата на кошках для слона была назначена 
дозировка с учётом разницы в массе этих животных, а именно 
в 30 000 раз. Действие лекарственного средства оказалось не-
ожиданным и очень печальным – слон упал замертво. 

Эти примеры свидетельствуют о том, что проблема мас-

штабирования не столь однозначна, как кажется на первый 
взгляд.

На первый взгляд представляется, что при увеличении разме-

ров установки пропорционально лабораторному аналогу все па-
раметры процесса должны меняться аналогично, т.е. линейно. 
Однако это не так. Например, в колонных массообменных аппа-
ратах увеличение высоты единицы переноса H при изменении 
размеров от меньшего диаметра D1 к большему D2 происходит 
согласно правилу H2 – H1 ~ ln(D2/D1).

Присутствие в процессе такой, казалось бы, полезной состав-

ляющей, как перемешивание исходных компонентов, во мно-
гих случаях порождает проблему масштабирования. Форма и 
размер реактора, расположение штуцеров подачи исходных ве-
ществ, гидродинамический режим, обусловленный геометрией 

пространства около ввода сырья – все эти факторы оказывают 
существенное влияние на процесс перемешивания. Например, в 
колонных барботажных установках значения эффективных ко-
эффициентов перемешивания Kэ возрастают при увеличении ди-
аметра устройства в соответствии со следующим эмпирическим 
соотношением: Kэ ~ D(1,3…1,5). 

Даже такие величины, как константы скорости химических 

реакций, которые, как можно предполагать, не должны менять-
ся при увеличении размеров агрегатов, не остаются неизменны-
ми. Например, реакция селективного каталитического окисле-
ния пропилена с получением акролеина

 
CH2 = CH – CH3 + O2 = CH2 = CH – CH =  
 

 
= O + H2O (C3H6 + O2 = C3H4O + H2O)  
(1.1)

и акриловой кислоты 

 
CH2 = CH – CH = O + 1/2O2 = CH2 =  
 

 
= CH – COOH (C3H4O + 0,5O2 = C3H4O2) 
(1.2)

в больших ёмкостях может перейти в цепную реакцию горения:

 
C3H6 + 4O2 = 2CO2 + CO + 3H2O, 
(1.3)

 
C3H4O + 2O2 = 3CO + 2H2O, 
(1.4)

 
2CO + O2 = 2CO2. 
(1.5)

В процессах, протекающих с участием радикалов и характе-

ризующихся влиянием стенок сосудов, форма и размер установ-
ки становятся существенно важными факторами, влияющими 
на общую кинетическую картину.

1.2. Теория подобия

Ранее считалось, что переход от лабораторной к промышлен-

ной установке можно выполнить, применяя теорию подобия. 

Теория подобия – метод математического моделирования, 

основанный на переходе от обычных физических величин, вли-
яющих на моделируемую систему, к обобщённым величинам 
комплексного типа, составленным из исходных физических ве-
личин.

Понятие подобия распространяется на любые физические 

явления, например подобие движения двух потоков жидкости 
или подобие распределения температур и тепловых потоков.

Наиболее простое – геометрическое подобие, представляю-

щее собой пропорциональность в фигурах одинаковой формы и 
сходственных размеров, а также равенство соответствующих 
углов. Кинематическое подобие означает пропорциональность 
местных скоростей в сходственных точках и равенство углов, 
характеризующих направление этих скоростей. Динамиче-
ское подобие – это пропорциональность сил, действующих на 
сходственные объёмы в кинематически подобных потоках, и 
равенство углов, характеризующих направление этих сил.

Согласно данной теории считается, что подобные процессы 

происходят в подобных геометрических и временных условиях, 
имеют одинаковую физическую природу и описываются одина-
ковыми по форме и по существу уравнениями. При этом подо-
бие физических явлений означает подобие всех величин, харак-
теризующих рассматриваемые явления. 

Теория подобия оперирует с безразмерными комплексами – 

критериями, или числами подобия, которые получаются на ос-
нове дифференциальных уравнений, описывающих процесс.

Критерии подобия – это безразмерные комплексы, состав-

ленные из величин, характеризующих физическое явление.

Другими словами, критерии подобия представляют собой 

меру отношения физических эффектов и для подобных явлений 
должны сохранять одно и то же числовое значение. Переход к 
безразмерным величинам должен упрощать проблему масшта-
бирования, потому что безразмерные критерии не зависят от 
масштаба. 

Критериям подобия присваиваются имена учёных, внесших 

существенный вклад в развитие науки. Например, критерии 
Нуссельта Nu, Рейнольдса Re, Эйлера Eu, Фруда Fr, Пекле Pe, 
Био Bi и др.

Суть теории подобия заключается в следующем. Из харак-

теризующих исследуемый процесс физических величин, имею-

щих размерность, составляются безразмерные критерии по-
добия. Проводится эксперимент, заключающийся в изменении 
какого-либо одного из физических параметров при постоянстве 
всех остальных. По полученным результатам находится соотношение 
между определяемым и другими критериями подобия. 
Эта зависимость называется критериальным уравнением. В 
рамках теории подобия считается, что, основываясь на критериальных 
соотношениях, можно без постановки эксперимента 
определить значения параметров подобных процессов. 

Однако, как установил академик Г.К. Борестков, критерии 

подобия многих процессов, происходящих в агрегатах, несовместимы, 
в частности критерии подобия массообменных и химических 
процессов. Действительно, на локальном уровне ни химическая 
реакция, ни конвективная массопередача от некоторой 
мелкой единицы вещества к другой не изменяются. Однако поле 
скоростей и соотношение фаз в объёме больших устройств становятся 
неравномерными. 

Особенно актуальна поперечная неравномерность, которая 

возрастает при увеличении диаметра агрегата. Происходит это в 
значительной мере потому, что возможности поперечного перемешивания 
и выравнивания скоростей потоков с ростом размеров 
установки уменьшаются. 

Например, при противоточном движении газа и жидкости в 

реакторах колонного типа наблюдаются неравномерности, как 
показано на рис. 1.1. Особенно существенно влияет на эффективность 
работы установки каналообразование, которое усиливается 
при увеличении диаметра аппарата. Если не реализовать 
специальные конструктивные решения, обеспечивающие перераспределение 
потоков, то промышленная колонна не обеспечит 
получение продукта заданного качества.

Рассмотрим пример из области металлургии. При равномерном 
распределении газов и шихты в объёме доменной печи кривые 
распределения температуры и содержания СО2 должны быть 
одинаковыми по всему диаметру печи. Однако на практике газовые 
потоки в домне в зависимости от степени поперечной неравномерности 
бывают периферийными, осевыми и канальными 
(рис. 1.2).