МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЙ НАНОСТРУКТУР И НАНОСИСТЕМ монография Том 1 Понятия, классификация, гипотезы, получение и исследование наноструктур и наносистем Ижевск ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА 2009 УДК 536.7 + 541: 539 ББК 24.5 К 58 Рецензенты: Липанов А.М. – академик РАН, директор Института прикладной механики УрО РАН Заиков Г.Е. – доктор химических наук, профессор, зав. отделом Института биохимической физики им. <...> Понятия, классификация, гипотезы, получение и исследование наноструктур и наносистем / В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков. <...> 1) ISBN 978-5-9620-0151-7 © Кодолов В.И., Хохряков Н.В., 2009 © ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Представленная Вашему вниманию книга посвящена новому научному «взрыву», новой научно-технической революции, которую некоторые ученые называют «тихой». <...> Поскольку химическая физика наноструктур и наносистем – бурно развивающаяся область знания, предложения авторов в области терминологии и классификации наноструктур можно рассматривать как предварительные, которые могут в дальнейшем дополняться и изменяться. <...> Большой фактический материал представлен по способам получения и выделения наноструктур. <...> В книге приведены энциклопедические сведения, в ряде случаев даже с описанием условий получения наноструктур различных форм и размеров. <...> Вместе с тем указано на перспективность применения уравнений и функций Лагранжа, а также вытекающих из анализа Лагранжиана 4 пространственно-энергетических параметров для прогнозирования процессов, протекающих при образовании наноструктур и наносистем. <...> Среди возможностей перехода в наномир выделяют разрушение макро- и микрообъектов до наноразмерных продуктов или синтез из пикоразмерных частиц <...>
Химическая_физика_процессов_формирования_и_превращений_наноструктур_и_наносистем._Том_1._Понятия,_классификация,_гипотезы,_получение_и_исследование_наноструктур_и_наносистем.pdf
УДК 536.7 + 541: 539
ББК 24.5
К 58
Рецензенты:
Липанов А.М. – академик РАН, директор Института прикладной механики
УрО РАН
Заиков Г.Е. – доктор химических наук, профессор, зав. отделом Института
биохимической физики им. Н.М. Эмануэля
РАН
Кодолов В.И., Хохряков Н.В.
К 58
Химическая физика процессов формирования и превращений
наноструктур и наносистем : монография. В 2 т. Т. 1. Понятия,
классификация, гипотезы, получение и исследование наноструктур
и наносистем / В.И. Кодолов, Н.В. Хохряков.– Ижевск :
ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009.– 360 с.
ISBN 978-5-9620-0152-4 (Т. 1)
ISBN 978-5-9620-0151-7
В книге рассмотрены актуальные вопросы нанохимии, нанофизики, наноматериаловедения
и нанотехнологии. Основное внимание уделяется рассмотрению
процессов формирования и превращений наноструктур и наносистем. Приводится
обзорный материал по некоторым свойствам наноструктур и наноматериалов, а
также по модификации композитов наноструктурами. Рассмотрены методы моделирования
наноскопических объектов.
Книга предназначена для специалистов, работающих в области нанотехнологий,
студентов старших курсов университетов, магистрантов, аспирантов, работников
научно-исследовательских институтов и научно-производственных объединений.
УДК
536.7 + 541: 539
ББК 24.5
ISBN 978-5-9620-0152-4 (Т. 1)
ISBN 978-5-9620-0151-7
© Кодолов В.И., Хохряков Н.В., 2009
© ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2009
2
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………….3
ВВЕДЕНИЕ………………...…………………………………………………………...6
Литература к введению………………………………………………………..............16
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В НАНОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ…….………………………………………...17
1.1. Определение области существования наносистем
и наноструктур ……………………...………………………..……………17
1.2. Наноматериалы и нанокомпозиты ……………………………………….32
1.3. Определения и понятия в физике и химии
поверхности. Межфазные границы ………………………….…………..39
1.4. Основные понятия в моделировании
наноструктур и наносистем. Нанотермодинамика.
Пространственно-энергетические параметры …………………………..49
Литература к главе 1…………………...……………………………………………...61
2. КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОСИСТЕМ ………………………………………...63
2.1. Наноструктуры. Геометрия и энергетика наночастиц.
Зародышеобразование и рост наноструктур ……………………………..63
2.2. Нанокристаллы и нанокластеры. Структура
углеродных наносистем …………………………………………………...73
2.3. Как различные теории пытаются объяснить
существование наноструктур? Классификация моделей ………………..80
2.4. Формирование классификационных признаков
и схем наноматериалов и нанокомпозитов………………………………..88
2.5. Что такое нанореакторы и какие они бывают? ...........................................95
Литература к главе 2………………….……………………………………..……….105
3. ГИПОТЕЗЫ И МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ НАНОСИСТЕМ….…...108
3.1. Анализ существующих гипотез и теорий
образования наноструктур и наносистем………………………………..108
3.2. Анализ условий, при которых образуются
наноструктуры определенной формы……………………………………117
357
Стр.357
3.3. Как нанотермодинамика объясняет существование
и формирование наноструктур?..................................................................130
3.4. Возможность образования наноструктур в матрицах
и нанореакторах..…………………………………………………...……...145
3.5. Энергетические и геометрические параметры матрицы,
способствующие образованию наноструктур и наносистем.…..………157
Литература к главе 3……………………………………………………….….……..166
4. СПОСОБЫ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР………..169
4.1. Классификация способов и методов получения наноструктур ………169
4.2. Получение наноструктурных образований путем
механического распыления веществ…………………………………….173
4.3. Высокотемпературные методы формирования наноструктур…………181
4.3.1. Электродуговое распыление графита………………………........182
4.3.2. Получение наноструктур электродуговым
распылением углеродного анода в присутствии
катализаторов….…………………………………………….…….188
4.3.3. Получение нанопродуктов с помощью
лазерного распыления….…………………………………….…...197
4.3.4. Получение нанопродуктов при горении и в плазме…..………...202
4.3.5. Пиролитические и термохимические
методы получения наноструктур….……………………………..208
4.4. Синтез наноструктур путем компактирования
химических частиц на активных поверхностях.....…………..…………224
4.5. Низкоэнергетические (низкотемпературные)
способы формирования наноструктур…..………………………..……...247
4.6. Методы формирования нанокомпозитов и наноматериалов……….…..261
Литература к главе 4………………….…………………………………….………..278
5. СПОСОБЫ ВЫДЕЛЕНИЯ, ОЧИСТКИ И ПОДГОТОВКИ
НАНОСТРУКТУР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ………….290
5.1. Способы выделения и очистки наноструктур…………………...…….......290
5.2. Методы детектирования и исследования наноструктур
и наносистем………………………………………………………………....307
358
Стр.358
5.2.1. Методы пооперационного контроля и предварительного
детектирования наноструктур в процессе их формирования
в нанореакторах……………………………………………………….308
5.2.2. Методы определения и исследования наноструктур
после их получения и выделения...……………………………....…..313
- Спектроскопические методы исследования наноструктур ……...313
- Методы электронной микроскопии в сочетании
со спектроскопическими методами…………………………………319
- Дифракционные методы исследования наноструктур
в сочетании с методами электронной микроскопии
и спектроскопическими методами………………………………….320
- Спектроскопические исследования с помощью
фотоэмиссионной и рентгеновской фотоэлектронной
спектроскопии ………………………………………………………..332
- Исследования наноструктур с помощью Электронного
Парамагнитного Резонанса (ЭПР) …………………………………..340
Литература к главе 5………………………………………………..………..……....344
Список обозначений и сокращений………………………………………………...348
359
Стр.359