Основы нанотехнологии

У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
У Ч Е Б Н И К Д Л Я В Ы С Ш Е Й Ш К О Л Ы

Учебник

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению 211000
«Конструирование и технология электронных средств»

ОСНОВЫ
НАНОТЕХНОЛОГИИ 

Москва
Лаборатория знаний
2021

3-е издание, электронное

УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73
К89

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Кузнецов Н. Т.
К89
Основы нанотехнологии : учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Но-
воторцев, В. А. Жабрев, В. И. Марголин. — 3-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2021. — 400 с. — (Учебник для высшей
школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-906828-26-2
В учебнике изложены общие представления о нанотехнологии, ее кон-
цептуальные проблемы. Затронуты вопросы самоорганизации и синергетики
в наномире, проанализированы возможности нанометрологии. Рассмотрены
специфические особенности и проблемы наномира.
Для студентов, изучающих дисциплины, связанные с применением нано-
технологии, магистрантов и аспирантов, инженерно-технических и научных
работников, а также интересующихся проблемами современной науки.
УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы нанотехно-
логии : учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Новоторцев, В. А. Жабрев, В. И. Мар-
голин. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 397 с. : ил. — (Учебник
для высшей школы). — ISBN 978-5-9963-0853-8.

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 978-5-906828-26-2
© Лаборатория знаний, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Глава 1. Общие представления о нанотехнологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.1. Научное мировоззрение и наномир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2. Исторические начала и корни нанотехнологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.3. Переход от микротехнологии к нанотехнологии. Наномир  . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
1.4. Особенности наноразмерного состояния вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
1.5. Терминологическая база нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
1.6. Доктрина развития работ по нанотехнологии и наноматериалам
в России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

1.7. Магистральные направления развития нанотехнологии.
Прогнозы и перспективы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

Глава 2. Концептуальные проблемы нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.1. Проблема размерных эффектов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.2. Роль информации и информационной составляющей в наномире  . . . . . . . . . . . .95
2.3. Проблемы невоспроизводимости в нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.4. Проблема измерений в квантовой механике и наномире  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.5. Проблема слабых и сверхслабых воздействий в нанотехнологии . . . . . . . . . . . 120
2.6. Резонансные взаимодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.6.1. Некоторые резонансные явления, перспективные
для нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.6.2. Принцип фрактальности применительно к резонансным процессам
и явлениям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

2.7. Эффекты дальнодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

2.7.1. Эффекты дальнодействия в наноразмерных структурах  . . . . . . . . . . . . . 137
2.7.2. Эффект ориентированной кристаллизации через аморфную среду . . . . 138
2.7.3. Эффект дальнодействия, возникающий при энергетическом
воздействии на систему  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Контрольные вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Глава 3. Самоорганизация и синергетика в наномире . . . . . . . . . . . . . . . .149
3.1. Процессы самоорганизации и синергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2. Реализация процессов самоорганизации в различных системах . . . . . . . . . . . . 166
3.3. Некоторые представления о роли самоорганизации в наномире . . . . . . . . . . . . 178

3.3.1. Кластер. Магические числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.2. Структурные скелеты и надмолекулярное состояние вещества.
Понятие мезофазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.4. . . . . . . . 184
3.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.6.1. ,
. . . . . . . . . . . . . . . . 204

3.6.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

3.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

4. . . . . . . . . .227
4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.3. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

4.4. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

4.4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.4.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

4.5. . –. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

4.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

4  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

5. . . 289
5.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5.5. . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
5.7. -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
5.8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
5.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.10. --. . . . . . . . . 353
5.11.  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
5  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392

Последняя треть прошлого, двадцатого, века существенно изменила и расши-
рила наши представления об окружающем мире. Появились новые, револю-
ционные в хорошем смысле слова, подходы к описанию природы, например 
фрактальная геометрия и фрактальная физика, теория детерминированного 
хаоса, нелинейная динамика, термодинамика неравновесных процессов. Раз-
витие аналитической инструментальной базы привело к появлению таких 
прецизионных методов исследования, как комплекс туннельно-зондовых тех-
нологий, включающий сканирующую туннельную, атомно-силовую, электро-
силовую и магнитно-силовую микроскопию. Многие лаборатории и исследо-
вательские центры расширили парк своей научной аппаратуры за счет микро-
скопов ближнего поля, конфокальных оптических и конфокальных лазерных 
микроскопов, электронных микроскопов сверхвысокого разрешения и высоко-
разрешающих сканирующих электронных микроскопов.
Эти новации в науке и технике выявили непростую проблему перехода 
от микромира к наномиру, в узком аспекте — от микротехнологии и микро-
электроники к нанотехнологии и наноэлектронике, а в более глобальном — 
к расширению научного мировоззрения. Для неорганической химии переход 
в наноразмерный масштаб позволил обнаружить новые структурные типы, 
строение которых не соответствует законам классической кристаллографии. 
Для наночастиц характерны разнообразные структурные элементы — нуль-
мерные, одномерные, двухмерные, трехмерные, имеющие обычную структу-
ру и фрактальные. Наносистемы далеки от равновесного состояния в силу 
различных причин, в том числе из-за наличия развитой поверхности. Атомы 
вблизи поверхности отличны как по структурным, так и физико-химическим 
характеристикам от атомов в объеме кристалла, а состав приповерхностной 
области не соответствует стехиометрическому составу химического соедине-
ния. Многообразие наночастиц и структурная неоднородность наносостояния 
не всегда укладываются в представления классической кристаллографии.
В рамках классической кристаллохимии все структурные типы можно 
разделить на 5 категорий в соответствии с основной доминантой структуры: 
координационные, островные, цепочечные, слоистые, каркасные. В нано-
структурах доминант может быть несколько. Это справедливо как по отноше-
нию к доминантам отдельных соседних фрагментов, так и по отношению 
к объединяющей доминанте, в соответствии с которой фрагменты образуют 
структуру следующего уровня иерархии. Анализируя структуру наночастиц 
(осуществляя целенаправленный синтез структуры гипотетической нано сис-
те мы с целью придания ей требуемой функциональности), следует выделить 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие

основные структурные фрагменты и на каждом уровне иерархии в пределах 
каждого фрагмента определить основные структурные доминанты.
Неорганические наночастицы по своей структуре часто корреспондируют 
с известными ранее характерными чертами биологических объектов. В диа-
пазоне наноразмеров весьма вероятна конвергенция между живой и нежи-
вой природой, т. е. совместимость органических и неорганических веществ, 
так как для наночастиц снимаются многие запреты и ограничения класси-
ческой симметрии на совместимость элементов. (В настоящее время при-
знанным центром таких исследований является «Курчатник», возглавляемый 
М. Н. Ковальчуком.) В неорганическом наномире реализуется пентагональная 
и икосаэдрическая симметрия, допустимы поворотные и винтовые оси 5-го, 
7-го и более высоких порядков, возможна геликоидальная симметрия.
По всей вероятности, реализуются не только все три типа геометрии по-
стоянной кривизны — Евклида, Лобачевского и Римана (здесь уместно вспом-
нить гипотезу Вернадского), но и определенные конструкции проективной 
геометрии. Наномир демонстрирует многообразие структур и, как следствие, 
многообразие форм наночастиц.
В 1959 г. нобелевский лауреат Р. Фейнман выразительно сказал, «что пол-
но игрушек на полу в комнате», объясняя тем самым, что в области малых 
размеров масса интересного. Многие считают это началом наноэпохи. Однако 
Фейнман имел в виду чисто количественные аспекты. В 1977 г. другой но-
белевский лауреат Илья Романович Пригожин указал на невозможность про-
стого перехода от процессов на макроскопическом уровне к обратимым про-
цессам на микроскопическом уровне и определил круг проблем, связанных 
с решением этой задачи. Выдающиеся открытия отечественных и зарубежных 
химиков в области синтеза и исследования строения наночастиц открывают 
новую страницу в ее преодолении. Современные аналитические методы вы-
сокого разрешения позволяют экспериментально изучать наносостояние на 
уровне индивидуальных наноразмерных объектов — наночастиц и кластеров. 
С уменьшением размеров объектов возрастает потенциальное быстродей-
ствие системы, что является очень важным аспектом для электроники и вы-
числительной техники. Достигнутое быстродействие в реальных устройствах 
составляет уже около 1 нс (10–9 с), но может быть еще уменьшено на несколь-
ко порядков, в ряде наноструктур — до фемтосекунд.
Сейчас первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, 
направленные на создание принципиально новых технологических процес-
сов, материалов и продуктов в таких областях, где традиционными метода-
ми в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов, особенно это
касается материаловедения.
В громадном и слабо освоенном промежутке между макроуровнем (где 
действуют хорошо разработанные континуальные теории сплошных сред и 
инженерные методы расчета и конструирования), плавно переходящим в мик-
роуровень, и атомарным (подчиненным законам квантовой механики) нахо-
дится обширный уровень структуры материи, — наномир. Именно на этом 
уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макро-
молекулами ДНК, РНК, белками, ферментами, субклеточными структурами, 

Предисловие 
7 

требующие более глубокого понимания. В наномире могут быть искусственно 
созданы неизвестные ранее продукты и технологии, способные радикально из-
менить жизнь  человеческого сообщества. Возникающие при малых размерах 
и низких температурах специфические квантовые размерные эффекты могут 
быть использованы в электронике, оптике, вычислительной технике.
Поэтому можно только приветствовать появление учебника, в котором 
проложен мост к пониманию физических основ и физико-химических проб-
лем нанотехнологии и наноэлектроники, рассмотрены на концептуальном 
уровне многие вопросы, в том числе основы фрактальной геометрии, фрак-
тальной физики и нелинейной динамики.
Отличие представляемого учебника от прочих, довольно многочисленных 
учебных пособий и монографий в области нанотехнологии состоит в том, что 
авторы стремятся уходить от обсуждения частных проблем, явлений и нано-
эффектов, освещая общие представления и концептуальные подходы к нано-
технологии и наномиру. Рассматриваются основы наших представлений 
о нано технологии, ценности этого направления науки сегодня и ее перспекти-
вы на будущее в максимально обобщенном виде.
К достоинствам учебника следует отнести четко прослеживаемое жела-
ние авторов делать упор на физическую и химическую интерпретацию рас-
сматриваемых явлений, а не на написание ворохов длиннейших формул, ко-
торые угнетающе действуют на психику читателя, обрекая его на сомнения 
в собственной умственной полноценности. Физическая, а не математическая 
интерпретация окружающего мира намного доступней и эффективней для чи-
тателя любого уровня подготовленности.
Следует также отметить, что данный учебник написан авторами в порядке 
личной инициативы, без поддержки каких-либо фондов, благотворительных 
организаций, грантов и поощрительных премий.

Директор ВИАМ
академик Е. Н. Каблов

Развитие наших представлений об окружающем мире тесно связано с возмож-
ностью познавать его на всех масштабных уровнях: от гигантских звездных 
систем до мельчайших вирусов и в перспективе — молекул и атомов. Ограни-
ченность и определенное несовершенство человеческого организма, способ-
ного познавать мир с помощью органов пяти чувств в очень ограниченных 
диапазонах (зрение: 0,3–0,6 мкм, слух: 40–20 000 Гц), вынуждают применять 
для познания мира инструментальную технику, которая позволяет получать 
в том или ином виде, прямо или косвенно интересующую информацию. Опти-
ческий микроскоп и телескоп расширили наши представления об окружаю-
щем мире сразу по обе стороны доступного человеку масштабного диапазона. 
Процессы, происходящие в далеком космосе, в макро- и микромире оказались 
приоткрытыми для исследования и изучения. Применение полученных знаний 
на практике позволило создать мощнейшую технологическую базу челове-
чества.
Совершенствование методов исследования позволяло двигаться по мас-
штабной шкале, познавая все более мелкие объекты. Мечтой многих иссле-
дователей было увидеть мельчайшие структурные единицы материи — атомы 
и молекулы. Для этого надо было освоить масштабный диапазон, лежащий 
в области нанометров (порядка 10–9 м). В соответствии с масштабной при-
ставкой «нано» (от греческого нанос — карлик) этот масштаб стали называть 
наноразмерным, а все с ним связанное получило приставку «нано». Одна-
ко оказалось, что переход в нанодиапазон не является простым переходом
к другой единице измерения, все гораздо глубже. Свойства вещества в нано-
состоянии оказались весьма отличными от свойств в привычных агрегатных 
состояниях: газообразном, жидком, твердом и плазменном. Это дает право 
считать наносостояние пятым состоянием вещества, поскольку любое ве щест-
во может быть получено и исследовано в этом состоянии.
Сейчас мир стоит на пороге новой научно-технической революции, по-
следствия которой представить пока затруднительно. Ученые вплотную по-
дошли к оперированию объектами с размерами нанометрового диапазона, что 
и получило комплексное название нанотехнологии, ее фундаментальную часть 
принято называть нанонаукой, а совокупность исследуемых объектов — нано-
миром. И это действительно очередная революция, но прежде всего она, как 
ни странно, должна произойти в умах людей.

ВВЕДЕНИЕ

Введение 
9 

Объектами нанотехнологий являются не только, собственно, низкораз-
мерные объекты — наноэлементы с характерными размерами как минимум 
по одной пространственной координате (наноусы, наночастицы, нанопорош-
ки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), но и макроскопические объекты 
(объемные материалы, отдельные элементы устройств и систем), структура 
которых контролируемо создается с разрешением на уровне отдельных нано-
элементов и существенно отличается от свойств более крупных объектов того 
же состава. При этом под устройствами или системами, изготовляемыми с ис-
пользованием нанотехнологий, понимают таковые, в которых как минимум 
один компонент является объектом нанотехнологий (т. е. существует как ми-
нимум одна стадия технологического процесса, результатом которой является 
объект нанотехнологий).
К сфере нанотехнологии относятся нанокристаллы и наночастицы (в том 
числе и квантовые точки), нанотрубки, нановолокна, наноусы, двумерные нано -
объекты с характерными толщинами порядка размера молекул. Под нано-
структурами понимают комбинации вышеперечисленных элементов, для ко-
торых наблюдаемые физические свойства непосредственно определяются 
размерно-зависимыми свойствами элементов: это многослойные и много-
полосные структуры и сетки; твердотельные гибриды и гетероструктуры на 
основе полупроводников, металлов и магнетиков; элементы или наборы эле-
ментов, контролируемо модифицированные функциональными молекулами, 
мицеллами или биологическими объектами субмикронных размеров.
К наноматериалам относят полностью или частично состоящие из выше-
перечисленных элементов твердые или жидкие материалы, для которых какие-
либо макроскопические свойства определяются размерами и/или взаимным 
расположением элементов:
 наночастицы в твердых, полимерных и жидкокристаллических матрицах; 
 наночастицы на подложках;
 нанокапсулы;
 слоистые материалы с характерным размером фрагментов порядка посто-
янной решетки;
 суперкристаллы на основе упорядоченных наноэлементов;
 гранулированные наноразмерные материалы;
 бионаноматериалы и биофункционализированные наноматериалы;
 объекты традиционных технологий (нанопорошки, нанопористые матери-
алы, золи, гели, эмульсии, пены, наногетерогенные полимеры и т. д.).

Нанонаука и нанотехнология создают принципиально новую техническую 
и технологическую базу цивилизации и опираются на новейшие достижения 
в области химии и физической химии, коллоидной химии, прикладной мате-
матики, физики твердого тела, фрактальной физики и геометрии, нелинейной 
динамики, динамического хаоса, материаловедения и других естественных 
наук. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант 
химика-синтетика, химика-аналитика с мастерством инженера, и именно этот 
союз позволил создать самые замысловатые структуры благодаря использова-
нию как разнообразных темплатов, так и бестемплатных процессов.

Введение

В результате технологической революции элемент информационного 
устройства сам стал производить сложные действия над потоками информа-
ции, общаясь с внешним миром на языке математической логики. Эти ин-
формационные потоки могут быть реализованы в виде переноса заряженных 
частиц или квантов электромагнитного поля. Каждый последующий этап 
компьютерной эволюции будет изменять именно функции элементов инфор-
мационных устройств, а важнейшие принципы их работы и, возможно, техно-
логии их изготовления предыдущей революции останутся в какой-то степени 
до поры и времени консервативными. Но только 
до той поры, пока в недрах технологического про-
гресса не созреет новая техническая революция 
нанотехнологии. Технологические достижения в 
области создания элементной базы современных 
компьютеров наглядно иллюстрирует показанный 
на снимке микропроцессор фирмы «Интел», со-
держащий 4,7 млн транзисторов и размещенный на 
кончике пальца рядом с рисовым зернышком [1].
Однако тысячи остроумных приемов и десятки сложных физических явле-
ний не реализуют сами по себе предмет развитой технологии, а нанотехнологии 
в особенности. Не существует такого приема или явления, которые могли бы 
самодостаточно выразить ее сущность. Элементную базу современной микро-
электроники, к примеру, для достижения практически любой поставленной цели 
можно реализовывать на основе самых разнообразных физических явлений 
и использовать разные материалы — полупроводниковые, сверхпроводящие, 
магнитные или оптические. При этом должен сохраняться единственный прин-
цип — это обработка информационных сигналов в мезоскопически и микро-
скопически малых областях твердого тела, в которых средствами современной 
технологии создано определенное распределение электронных свойств. Однако 
на смену микроэлектронике идет наноэлектроника, а есть еще нанохимия, на-
нобиология и наномедицина. По-видимому, роль биологии и химии будет еще 
больше возрастать, несмотря на то что уже сейчас они являются магистральны-
ми направлениями развития нанотехнологии.
Потоки электронов, заключенные в полупроводниковый кристалл, дали 
в свое время начало новой ветви эволюции элементной базы — поколению 
интегральных схем. Подвижность электронов в сочетании с малыми внутри-
кристаллическими размерами обеспечили скорость, а структура твердого 
тела — организацию информационных потоков в микропространстве. Это 
привело к необходимости формировать кристалл с почти идеальным расположением 
атомов в решетке, заданным распределением примесей, образующих 
внутри кристалла сложную пространственную фигуру, и созданием на поверхности 
кристаллов элементов с возможно более малыми размерами (планарная 
технология). Эти принципы распространились уже и на аморфные твердые 
тела, а не только на идеальные кристаллы. В нанотехнологии ситуация существенно 
более сложная и принципиально иная. Нужно отказаться от многих 
привычных взглядов и понятий или относиться к ним по крайней мере 
с величайшей осторожностью. Более того, надо осознать многие непривычные

Введение 
11 

и вызывающие инстинктивное отторжение понятия, химические и физические, 
и разнообразные явления в наномире. Например,  признать, что структура на-
ночастицы может изменяться под влиянием внутренних и внешних условий, 
что химическая связь на первых стадиях химических реакций лабильна, что 
устойчивые нанообразования и наночастицы могут быть у любого вещества.
Ограничение требований регулярности трансляционной симметрии при-
водит к появлению икосаэдрических форм упаковки с пентагональной сим-
метрией для неорганических частиц. Реализуются также наночастицы с коге-
рентными границами раздела между структурными фрагментами различной 
симметрии.
При изучении структурно-неоднородных наночастиц можно обнаружить 
общие черты с такими явлениями, как послойный и блочный полиморфизм, 
изоморфизм с заполнением пространства, автоизоморфизм (внутренний твер-
дый раствор), двойникование, эпитаксиальное соответствие, псевдоморфное 
сопряжение, модуляция подрешеток, сверхструктурное упорядочение (в том 
числе упорядочение вакансий в дефицитных структурах), образование несо-
размерных (мисфит-) структур и т. д. Можно утверждать только, что имеют-
ся искаженные фрагменты известных структур. Следовательно, можно непо-
средственно использовать концепцию фрагментарности. Согласно этой кон-
цепции, некоторые кристаллические структуры природных минералов могут 
рассматриваться в качестве сложных, построенных из модулей (фрагментов) 
или структурных блоков, как бы заимствованных из других кристаллов или 
кристаллических решеток. Если требуется более одного вида блоков для по-
строения трехмерной структуры в целом, то этот случай называется поли-
соматизмом. Являясь обобщением более частных понятий политипизма, 
поли соматизма, гибридности, турбостратификации (одномерной разупорядо-
ченности в слоистых структурах), концепция фрагментарности указывает на-
правление, где минерологи могли бы искать новые минеральные структуры 
и составы.
Дуализм состояний наночастиц определяет случайный характер их об-
разования, что означает временную зависимость параметров системы частиц. 
Для теоретического анализа наносостояния необходимо преодолеть и другие 
трудности концептуального характера. Самое главное, что они уже в опре-
деленной степени известны. В 1977 г. нобелевский лауреат И. Р. Пригожин 
(1917–2003) указал на невозможность простого перехода от процессов на мак-
роскопическом уровне к обратимым процессам на микроскопическом уровне 
и определил круг проблем, связанных с решением этой задачи. Выдающиеся 
открытия отечественных и зарубежных химиков в области синтеза и исследо-
вания строения наночастиц открывают новую страницу в исследовании этой 
проблемы.
Переход к нанотехнологии является довольно болезненным, как и любая 
революция, а впрочем, любая неожиданная ломка привычных представлений, 
даже заключающаяся в простом, но резком расширении границ мировосприя-
тия. В связи с этим осмелимся привести две цитаты. Первая принадлежит аме-
риканскому философу Уильяму Джеймсу (1842–1910), занимавшемуся фило-
софией научного познания [2–4]: «В любой науке вокруг общепризнанных и 
упорядоченных фактов вечно кружит пыльное облако исключений из правил —

Введение

явлений малозаметных, непостоянных, редко встречающихся, явлений, кото-
рые проще игнорировать, нежели рассматривать. Всякая наука стремится 
к идеальному состоянию замкнутой и строгой системы истин. Феномены, не 
подлежащие классификации в рамках системы, считаются парадоксальными 
нелепостями и заведомо не истинны. Ими пренебрегают и их отвергают, исхо-
дя из лучших побуждений научной совести. Тот, кто всерьез займется иррегу-
лярными феноменами, окажется способен создать новую науку на фундаменте 
старой. По завершении же этого процесса правилами обновленной науки по 
большей части станут вчерашние исключения».
Вторая цитата принадлежит нашему соотечественнику, физику, занимаю-
щемуся проблемами квантовых измерений, Михаилу Борисовичу Менскому 
[5]: «Нерешенные концептуальные вопросы квантовой механики часто объ-
единяют под именем «проблемы измерения». Они не имеют, подобно другим 
проблемам в физике, вполне ясной и однозначной формулировки и порой раз-
ными авторами преподносятся по-разному. Более того, большое число вполне 
квалифицированных и опытных специалистов считает, что никаких концепту-
альных проблем в квантовой механике вообще не существует. Те, кто такие 
проблемы обсуждает, часто встречают не только непонимание, но и осужде-
ние. Типичная оценка такого рода обсуждений состоит в замечании, что это 
не физика, а философия, и при этом слово «философия» иногда произносится 
несколько свысока <…> Парадоксы в квантовой физике возникают лишь тог-
да, когда исследователь не удовлетворяется этим «физическим» уровнем те-
ории, когда он ставит такие вопросы, которые в физике ставить не принято, 
другими словами, когда он берет на себя смелость попытаться выйти за преде-
лы физики. Вполне оправданной является точка зрения, что такая попытка со 
стороны физика не имеет смысла. Те, кто этой точки зрения придерживается, 
не заслуживают осуждения. Более того, они по-своему правы, потому что для 
конструктивной работы в физике необходимо ограничить себя точно сформу-
лированными, чисто «физическими» задачами. Однако для некоторых физиков 
оказывается необходимым иногда попытаться выйти за рамки собственно фи-
зической методологии и поставить более широкий круг вопросов. Вот тогда 
возникают квантовые парадоксы. Оказывается, что попытки разрешить эти 
парадоксы могут приводить к удивительным новым концепциям, которые, по 
меньшей мере, весьма любопытны. Нельзя сказать, что на этом пути достиг-
нут существенный прогресс. Однако красота и смелость возникающей при 
этом картины квантового мира невольно заставляют надеяться, что этот путь 
позволит в конце концов вывести теорию на качественно новый уровень». Все 
это полностью можно отнести и к нанотехнологии. Безусловно, на начальном 
этапе своего становления нанотехнология будет сталкиваться с сопротивлени-
ем консервативно мыслящих исследователей.
Можно утверждать, что по мере освоения нанометрового диапазона все 
более значительную роль станут играть ранее малозаметные на фоне больших 
энерговложений резонансные эффекты и сопряженные с ними слабые и сверх-
слабые воздействия на наноразмерные системы.
Процесс этот начался недавно и уже принес интереснейшие результаты, 
которые имеют тенденцию к нарастанию, причем лавинообразному.