Нанохимия и наноматериалы

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

 
Т. И. Шабатина, А. М. Голубев 
 
 
 
Нанохимия 
и наноматериалы 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия  
по курсу химии для студентов  
технических специальностей 
 
 
 
 

 

 
 
Москва  

2014 

УДК 54.18:544.77+538.94(075.8) 
ББК 24 
Ш13 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/110/book79.html 
Факультет «Фундаментальные науки» 
Кафедра «Химия» 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. В. И. Ролдугин,  
канд. физ.-мат. наук, доц. Ю. В. Герасимов 

 
Шабатина Т. И.  
Ш13   
Нанохимия и наноматериалы : учеб. пособие / Т. И. Шаба-
тина, А. М. Голубев. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2014. — 63, [1] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3965-2 

Нанохимия — быстро развивающаяся область науки, направленная 
на получение и изучение физико-химических свойств частиц вещества, 
имеющих размеры в несколько нанометров, и материалов на 
их основе. Подобные частицы обладают высокой реакционной способностью 
в широком интервале температур и размерной зависимостью 
свойств. Исследования в области нанохимии открывают перспективы 
для синтеза химических веществ и функциональных 
материалов с принципиально новыми и необычными свойствами.  
Настоящее пособие может рассматриваться как введение в область 
нанохимии и служить для студентов определенным указателем и справочным 
руководством в обширном мире наносистем, наноструктур и 
наноматериалов. Специальные разделы посвящены способам получения 
и свойствам наночастиц металлов и оксидов металлов, углерода, 
нанокомпозитам и искусственным метаматериалам. В пособии приведены 
четыре примера получения наноматериалов, которые могут быть 
использованы при постановке отдельных лабораторных работ. 
Для студентов, аспирантов, преподавателей и научных сотрудников, 
специализирующихся в области материаловедения, машино-  
и приборостроения. 
УДК 54.18:544.77+538.94(075.8) 
ББК 24 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3965-2 
 
 
        МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014

ВВЕДЕНИЕ 

Наноматериалы — это материалы, созданные с использованием 
наночастиц и (или) посредством нанотехнологий, нанострукту-
ры и агрегаты наночастиц, обладающие какими-либо уникальными 
свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. 
К наноматериалам относят также объекты, один из характерных 
размеров которых лежит в интервале 1…100 нм — тонкие 
пленки и нитевидные образования (нановискеры). К числу нано-
материалов следует отнести графены, углеродные нанотрубки и 
фуллерены, а также природные нанообъекты — молекулы ДНК, 
белки, вирусы и др. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются 
от свойств аналогичных материалов в массивном состоянии. 
Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение 
магнитных, тепло- и электропроводящих свойств, появление повышенной 
прочности и суперпластичности, суперпарамагнетизма.  
Развитие отдельных направлений нанонауки и областей их применения 
связано, прежде всего, с разработкой способов получения, 
стабилизации и модификации изолированных наночастиц, консолидированных 
наноматериалов и функциональных наноструктур. Решение 
этих проблем является предметом нанохимии. Необычные 
физические и химические свойства частиц, включающих от нескольких 
единиц до сотен атомов и молекул, отличаются как от 
свойств индивидуальных атомов и молекул этого вещества, так и от 
свойств объемного вещества того же состава, включающего тысячи 
и миллионы атомов. Исследования в области нанохимии открывают 
перспективы для синтеза новых веществ и получения материалов с 
улучшенными и принципиально новыми конструкционными и 
функциональными свойствами. Настоящее пособие может рассматриваться 
как введение в предмет нанохимии и служить для студентов 
справочным руководством в обширном мире разнообразных 
наносистем, наноструктур и наноматериалов. 

1. ОСОБЕННОСТИ НАНОСОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА  

С наноразмерным состоянием вещества и наноразмерными частицами 
человечество имеет дело уже давно. Еще во II в. до н. э.  
в Китае и Древнем Египте были известны «китайские чернила» — 
коллоидный раствор сажи в воде с добавлением гуммиарабика.  
В Античности создавали ярко окрашенные цветные стекла путем 
включения в них частиц металла. В 1856–1857 гг. М. Фарадей изучал 
свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота. И 
лишь в 1933 г. М. Кнолл и Э. Руска создали электронный микроскоп, 
который впервые позволил визуализировать и исследовать 
нанообъекты. В 1982 г. Г. Биннинг и Г. Ровер (компания IBM) получили 
изображения поверхности монокристаллического золота и 
кремния с атомным разрешением, в 1986 г. компанией IBM создан 
атомно-силовой микроскоп. 
Сегодня под терминами «наносостояние», «нанотехнологии», 
«наноматериалы», «наноструктуры» и т. п. подразумевается довольно 
широкий ряд понятий, которые постоянно уточняются в 
ходе накопления экспериментальных данных о свойствах нано-
размерных объектов. Исторически концепция «нано» была сформулирована 
в лекции Ричарда Фейнмана в Американском физическом 
сообществе 29 декабря 1959 г., в которой он обрисовал 
перспективы перехода физики, химии и инженерии на молекулярный 
и атомный уровень, где «сделано мало, но принципиально 
может быть сделано невероятно много». Термин «нанотехнология» 
впервые ввел Норио Танигучи в 1974 г. на конференции Британского 
общества точной инженерии, представив свой доклад на 
тему «Об основной концепции нанотехнологии», в котором нанотехнология 
определялась как «обработка, разделение, соединение 
и деформация материалов по одной молекуле или атому». Широ-

кой популяризации подходов и методов нанотехнологии послужила 
книга Эрика Дрекслера «Создание машин. Наступление эры 
нанотехнологии», изданная в 1986 г.  
Работы российских ученых в области ультрадисперсных и кластерных 
материалов внесли существенный вклад в развитие этого 
направления. Определенным признанием заслуг российских ученых 
явилось присуждение Ж.И. Алферову в 2000 г. Нобелевской 
премии за вклад в разработку наноразмерных полупроводниковых 
гетероструктур. Революционный прорыв в области нанонауки и 
нанотехнологий на рубеже XXI в. был связан прежде всего с созданием 
и развитием инструментальных методов нанотехнологии, 
позволяющих визуализировать, изучать и модифицировать изолированные 
нанообъекты и их упорядоченные ансамбли, — методов 
просвечивающей и зондовой (электронной и атомно-силовой) 
микроскопии.  
Развитие ряда фундаментальных направлений науки привело к 
осознанию того, что между единичными атомами и молекулами и 
макроскопическим состоянием вещества лежит переходная область, 
в которой свойства вещества уже не такие, как у его отдельно 
взятой молекулы, но еще не такие, как у большого количества 
того же вещества. На примере многих объектов физики, химии и 
биологии было показано, что переход от макроскопических объектов 
к объектам размером 1…10 нм приводит к качественным изменениям 
физико-химических свойств отдельных частиц и получаемых 
на их основе наносистем. Это понимание привело к 
появлению ряда новых научных теорий, объединяемых словом 
«нано». Частицы вещества размером 100 нм и более образуют высокодисперсные 
коллоидные системы, которые следует относить к 
микросостоянию вещества. Наночастицы можно рассматривать 
как промежуточные образования между отдельными атомами, с 
одной стороны, и твердым телом — с другой; размер этих образований 
1…100 нм (рис. 1.1). Если в наночастицах наблюдается ярко 
выраженное упорядоченное расположение атомов, их называют 
нанокристаллитами. Такие частицы обладают избыточной энергией 
и высокой химической активностью. Это объясняется 
нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных 
атомов. Образование наночастиц из атомов сопровождается 
формированием ядер разного размера и взаимодействием 

между частицами, ведущим к созданию из них ансамблей — 
наноструктур. Наноструктуру можно определить как совокупность 
наночастиц, обладающих функциональными связями. В 
таких ансамблях межчастичные взаимодействия достаточно 
сильны и способствуют изменению свойств отдельных изолированных 
наночастиц.  
 
 

 
 
Рис. 1.1. Шкала размеров объектов наномира (http://www.nanometer.ru) 
 
 
Свойства вещества в наносостоянии отличаются от свойств 
того же вещества в макросостоянии. Особенность нанообъектов 
заключается в том, что их размер соизмерим с радиусом действия 
межатомных сил. Вследствие данной особенности нанотела взаимодействуют 
друг с другом и с окружающей средой иначе, чем 
макротела. На уровне нанообъектов проявляются характерные эффекты, 
которые называют размерными, так как они заключаются в 

зависимости физических и химических свойств нановещества от 
размера частиц или зерен (числа атомов). Наличие размерных зависимостей 
физических и химических свойств может быть обусловлено 
как увеличением доли поверхностных атомов (S/V, где S — площадь 
поверхности; V — объем частицы), так и соизмеримостью 
диаметра частицы или элемента структуры наноматериала с фундаментальной 
размерной характеристикой — дебройлевской длиной 
волны электрона, размером магнитного домена и др. (табл. 1.1).  
Как правило, размерные эффекты возникают, когда размер частиц 
не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, 
когда их размер становится менее 10 нм. Эти наночастицы ведут 
себя как квантовые объекты, происходят квантование энергии и 
момента количества движения электронов, изменение электронно-
зонного строения твердых тел и возникновение «квазиатомной» 
электронной структуры. Для металлических наночастиц при 
уменьшении размера наблюдается переход от металлических 
свойств к полупроводниковым и даже диэлектрическим, появляется 
размерная зависимость ширины запрещенной зоны для полупроводниковых 
наночастиц, при определенных размерах возникает 
супермагнетизм для наночастиц ферромагнетиков и др. 
Подобные эффекты носят название квантоворазмерных. Уменьшение 
размера частицы в одном, двух или трех измерениях будет 
приводить к частичному квантованию энергетических зон. В соответствии 
с этим можно выделить следующие типы низкоразмер-
ных наноструктур: квантовые ямы — двумерные объекты, толщина 
которых находится в нанодиапазоне, квантовые нити — 
одномерные объекты, диаметр которых является нанометровым, и 
квантовые точки — нульмерные объекты, или «суператомы», 
наноразмерные во всех трех измерениях. 
В наноматериалах границы между гомогенной и гетерогенной 
системами, между аморфным и кристаллическим состоянием вещества 
часто провести трудно. В системах, которые можно отнести 
к наноразмерным, количество вещества (число атомов), сосредоточенное 
на поверхности и в объеме, становится соизмеримым, 
что кардинально изменяет структуру и свойства твердого тела. 
Могут изменяться межатомные расстояния и происходить перестройка 
кристаллической структуры, вплоть до перехода в аморфное 
состояние.  

Таблица 1.1 

Характерные длины для различных явлений и свойств 

Область 
Явление, свойство 
Шкала длин, нм 

Электронные 
взаимодействия 


Туннелирование 
Электронные волны 
Длина свободного пробега  
электрона: 
– в металлах при 1 K 
– в металлах при 298 K 
Размер экситона в полупроводниках 

Глубина проникновения  
электромагнитного поля  
в металлы 

1–10 
10–100 
 
 
108 

10–30 
10 
 
6⋅103 

Магнетизм 
Магнитные однодоменные  
наночастицы 
Доменные стенки: 
– в ферромагнетиках 
– в сегнетоэлектриках 

3–1500 
 
 
   10–100 
1–100 

Оптика 
Длина волны света  
в оптическом диапазоне 
102–103 

Сверхпроводимость 

Когерентная длина  
куперовских пар 
0,1–10 

Катализ 
Длина химических связей 
Межфазные границы 
Активные центры  
на поверхности 

0,1–1 
1–10 
0,2–10 

Электрохимия 
Двойной электрический слой 
Диффузионные слои 
Перенос заряда 

1–1000 
  103–105 

0,1–1 

Супрамолеку-
лярная 
химия  
и биология 

Диаметр молекулы ДНК 
Длина молекулы ДНК  
в растянутом состоянии 
Белки, ферритин 
Молекулярное распознавание 

~ 2 
~ 340 
 
~ 7 
1–10 

Зависимость поверхностной энергии от размера частицы предопределяет 
размерный эффект температуры плавления наноча-
стичных веществ. С уменьшением размера частиц эффективная 
температура плавления может понижаться. Так, для золота при 
переходе от компактного металла, плавящегося при температуре 
1340 K, к частицам с размером 2 нм температура перехода в жидкое 
состояние, характеризующееся отсутствием упорядоченной 
структуры кристалла и сохранением только ближнего порядка в 
расположении атомов, падает почти на 1000 K (рис. 1.2). 
 

 
Рис. 1.2. Зависимость температуры плавления нано-
размерного золота от размера частиц (Солнцев Ю.П., 
Пряхин Е.И. Нанотехнологии и специальные материалы. 
СПб.: Химиздат, 2007. С. 176) 
 
Наносостояние является метастабильным. Наноразмерные 
частицы вещества, особенно те из них, размер которых примерно 
20 нм и меньше, имеют относительно высокое содержание поверхностных 
атомов (по сравнению с макроскопическими частицами). 
Системы наночастиц обладают большой площадью поверхности 
и избыточной поверхностной энергией. Вещества в 
наносостоянии термодинамически менее устойчивы, чем в мак-
росостоянии. Система стремится выйти из этого состояния, но 

вследствие кинетических «затруднений» этот процесс может занять 
длительное время. Как правило, основной путь разрушения наносо-
стояния — это укрупнение частиц, в результате которого избыток 
поверхностно-свободной энергии уменьшается. Наносостоянием 
можно до определенной степени управлять, поскольку существуют 
способы как его стабилизации, так и ускоренного разрушения. 
Пониженная термодинамическая устойчивость наносостояния 
связана с тем, что поверхностные атомы имеют более высокую 
энергию, чем атомы в объеме макроскопического вещества. Вообще 
говоря, термодинамически устойчивого наносостояния вещества 
не должно существовать. Кинетически оно может оказаться 
достаточно устойчивым. Устойчивость наносостояния может быть 
повышена несколькими способами. При одном и том же числе 
атомов в частице разные геометрические формы имеют различные 
площади поверхности. Простые геометрические рассуждения показывают, 
что при одном и том же объеме частиц или числе атомов 
поверхность шара составляет только 80 % поверхности куба. 
Поскольку рассматриваемая система стремится понизить избыточную 
поверхностную энергию, наночастица будет формироваться в 
геометрической форме, близкой к сферической, или форме высо-
косимметричного многогранника (икосаэдра или додекаэдра) с 
большим количеством граней или эллипсоидов со скругленными 
концами.  
Поверхностная энергия может быть уменьшена, если поверхность 
окажется границей раздела вещества не с вакуумом, а с другим 
веществом. В этом случае силы межмолекулярного притяжения, 
как правило, меньше, чем для молекул (или атомов) одного и 
того же вещества, однако они все же смогут хотя бы частично приблизить 
энергию поверхности к энергии компактного материала. 
По этой причине поверхность наночастиц будет адсорбировать атомы 
и молекулы окружающей среды. Это верно и по отношению к 
поверхности макровещества, но для наносостояния доля поверхностных 
атомов намного выше, поэтому эффект присутствия адсорбированных 
молекул окружения более заметен. Все наноразмерные 
вещества являются хорошими сорбентами. Можно оценить долю 
поверхностных атомов по отношению к общему числу атомов, образующих 
объем частицы. С ростом числа атомов в частице доля 
поверхностных атомов быстро уменьшается (табл. 1.2).