Головин НАНОМИР БЕЗ ФОРМУЛ Под редакцией профессора Л. Н. Патрикеева 3-е издание (электронное) Москва БИНОМ. <...> Г60 Наномир без формул [Электронный ресурс] / Ю. И. Головин ; под ред. проф. <...> В книге систематизированы нанообъекты, методы их получения и исследования, описаны магистральные направления развития науки о наноструктурах и важнейшие сферы применения нанопродуктов: электроника, аэрокосмическая техника, медицина и здравоохранение, оборона и национальная безопасность, потребительские товары. <...> Обсуждаются морально-этические проблемы и социальноэкономические последствия нанореволюции. <...> Лейна—бывшего директора Национального научного фонда США и советника президента США по вопросам науки и техники В последние несколько лет мы все чаще и чаще слышим слова с приставкой «нано»: наномир, нанонаука, нанотехнология, нанотехника, наноматериалы, наноэлектроника, нанобиотехнология, наномедицина и т. п., причем не только от ученых и инженеров, но и от администраторов, экономистов, экологов, медиков, политиков, социологов, журналистов. <...> Но в современном контексте применение терминов «наномасштабные объекты», «наноструктуры», «нанопродукция», «нанотехнологии» означает указание на новую сферу деятельности, изучающую и использующую объекты наномира с очень специфическими (зачастую уникальными) свойствами и обладающую вследствие этого гигантским научно-технологическим и социально-экономическим потенциалом. <...> Ключевыми особенностями при этом являются размерные эффекты (сильная зависимость любых характеристик материала от определяющих размеров структуры в нано 6 Предисловие масштабной области), способные радикально изменить свойства вещества, а также явления самосборки и самоупорядочения атомов и молекул на нанометровых расстояниях, как это делает живая природа в биологических объектах. <...> На сегодняшний день уже в 55 странах приняты и выполняются хорошо финансируемые комплексные национальные <...>
Наномир_без_формул.pdf
Ю. И. Головин
НАНОМИР
БЕЗ ФОРМУЛ
Под редакцией
профессора Л. Н. Патрикеева
4-е издание, электронное
Москва
Лаборатория знаний
2020
Стр.2
ББКУДК 60
20
Г60
Головин Ю. И.
Г60 Наномир без формул / Ю. И. Головин ; под ред. проф.
Л. Н. Патрикеева. — 4-е изд., электрон. —М. : Лаборатория
знаний, 2020. — 546 с. — Систем. требования: Adobe
Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-854-4
В книге систематизированы нанообъекты, методы их получения
и исследования, описаны магистральные направления развития
науки о наноструктурах и важнейшие сферы применения нанопродуктов:
электроника, аэрокосмическая техника, медицина и здравоохранение,
оборона и национальная безопасность, потребительские
товары. Обсуждаются морально-этические проблемы и социальноэкономические
последствия нанореволюции.
Для школьников, учителей, инженерно-технических работников
смежных отраслей, представителей социально-гуманитарных профессий,
которые в ближайшем будущем могут столкнуться с нанотехнологиями
в своих предметных областях или на бытовом уровне.
ББКУДК 60
20
Деривативное издание на основе печатного аналога: Наномир
без формул / Ю. И. Головин ; под ред. проф. Л. Н. Патрикеева.
—М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 543 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0292-5
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 978-5-00101-854-4
○c Лаборатория знаний, 2015
Стр.3
Оглавление
Предисловие . .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .
Введение . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .
5
9
Литература к введению . .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 18
Глава 1. Нанотехнологии— что это такое? .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 21
1.1. Основные понятия .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . 21
1.2. Зачем нужны нанотехнологии? .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 34
1.3. Зарождение и развитие сферы нанотехнологий и ее перспективы
. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. . 36
1.4. Организационные финансово-экономические аспекты развития
нанотехнологий . .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. . 43
1.5. Социальные и гуманитарные аспекты развития нанотехнологий 48
Литература к главе 1 .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 51
Глава 2. Азы нанотехнологий. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 53
2.1. Специфика наномира .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . 54
2.2. Роль свободных и внутренних поверхностей . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.3. Зарождение и рост наночастиц . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 61
2.4. Размерные эффекты. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . 64
2.5. Самоорганизация и самосборка . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 81
2.6. Две технологические парадигмы: «сверху вниз»
и «снизу вверх» . .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 85
Литература к главе 2 .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 88
Глава 3. Как это «пощупать», увидеть и измерить?.. .. .. .. .. .. . 90
3.1. Микроструктурный анализ .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 94
3.2. Электронная микроскопия .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 101
3.3. Сканирующая зондовая микроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.4. Дифракционный анализ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 127
3.5. Спектральные методы . ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . 138
3.6. Методы определения размеров наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Литература к главе 3 .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 155
Глава 4. Наноматериалы . .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 158
4.1. Строительные, конструкционные и функциональные материалы
. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. 162
4.2. Наночастицы и нанопорошки . .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 163
4.3. Наноуглеродные частицы и материалы.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 168
4.4. Тонкопленочные структуры .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 184
4.5. Объемные наноструктурированные материалы. . . . . . . . . . . . . . . 188
4.6. Природа физико-механических свойств наноматериалов . . . . . . 224
4.7. Стабильность структуры и свойств наноматериалов . . . . . . . . . . 227
4.8. Реализованные и перспективные применения наноматериалов . 229
Литература к главе 4 .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 236
Стр.4
4
Оглавление
Глава 5. Наноэлектроника . .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 242
5.1. Закон Мура . .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 242
5.2. Основные функции наноэлектроники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.3. Фундаментальные пределы миниатюризации. . . . . . . . . . . . . . . . . 250
5.4. Совершенствование традиционной «кремниевой»электроники. 251
5.5. Микроэлектроника «рядом с кремнием». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
5.6. Электроника «без кремния».. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 285
Литература к главе 5 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 300
Глава 6. Нанотехника . .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 303
6.1. Наноприборы, наномашины, наносистемы .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 303
6.2. Глобальная энергетика, энергосбережение и НТ . . . . . . . . . . . . . . 349
6.3. Нанотехнологии в аэрокосмической отрасли . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Литература к главе 6 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 376
Глава 7. Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах .. 378
7.1. Нанобиотехнологии.. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. . 379
7.2. Наномедицина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
7.3. Нанотехнологии и защита окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . 413
Литература к главе 7 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 418
Глава 8. Нанотехнологии и нанопродукты .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 421
8.1. Строительство .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. . 421
8.2. Сельское хозяйство .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. .. . 428
8.3. Пищевые продукты.. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. .. . 431
8.4. Потребительские товары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
Литература к главе 8 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 439
Глава 9. Военные приложения нанотехнологий .. .. .. .. .. .. .. .. .. 441
9.1. Оборонные нанотехнологические разработки. . . . . . . . . . . . . . . . . 442
9.2. Перспективы военных приложений нанотехнологических разработок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
Литература к главе 9 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 455
Глава10. Социогуманитарные аспекты развития нанонауки
инанотехнологий . .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 456
10.1. Философский взгляд в будущее .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 461
10.2. Наноэтика .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 471
10.3. Образование и просвещение в области нанотехнологий. . . . . . . . 479
10.4. Прогнозирование социально-экономических последствий нанореволюции
.. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . .. .. . 501
10.5. Юридические аспекты развития нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . 513
10.6. Охрана интеллектуальной собственности в области нанотехнологий.
.. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 522
Литература к главе 10 .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 533
Заключение .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . . . 539
Стр.5