Введение

В середине прошлого столетия в 1959 году Нобелевский лауреат в области физики американец Р. Фейнман выступил со знаменитой лекцией «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», в которой впервые предложил рассмотреть возможность создания наноразмерных объектов путем сборки. Последующие годы характеризовались быстрым развитием методов и способов создания и анализа подобных продуктов различного состава, технологии получения, структуры и функционального назначения. С изобретением нобелевскими лауреатами Г. Биннигом, Г. Роррером сканирующего туннельного микроскопа и изготовлением Г. Биннигом атомного силового микроскопа наступил период бурного исследования различных аспектов наноразмерных объектов, который привел к появлению нанотехнологий, наноматериалов, как принципиально новых направлений материаловедения и технологии материалов. Простое перечисление только наиболее крупных монографий, посвященных проблемам создания и практического применения наноразмерных объектов [1-12], изданных в странах СНГ и дальнего зарубежья, свидетельствует о «пришествии эры нанотехнологий», которая, по мнению многих авторитетных исследователей, позволит обеспечить прорыв в области эффективного использования минерального сырья и создать предпосылки получения промышленных продуктов с принципиально новым сочетанием потребительских характеристик.

Термин «нано» происходит от греческого слова «нанос» (карлик) и соответствует объектам с размером 10^-9 м (10 Ǻ).

Общепринятым является сложившееся мнение о том, что наноразмерные объекты и их производные стали объектом исследований относительно недавно. Появилась размерная граница таких объектов, составляющая от 1 до 100 нм. В некоторых монографиях к нанообъектам относят дисперсные частицы от 5 до 200-300 нм, называя их «нанокристаллическими» и «субмикростристаллическими» [4]. Обоснованность выбора подобных размерных границ практически не обсуждается в научной литературе, хотя в ряде исследований (см. например, [12]) показано, что частицы с размерами более 30 нм обладают параметрами свойств, характерными для микро- и макрочастиц.

Быстро развивающийся терминологический аппарат для описания низкоразмерных частиц, материалов и систем на их основе привел к наличию многочисленных терминов, часто являющихся смысловыми аналогами, однако применяемых без должного основания. В результате в научной литературе отсутствует устоявшийся понятийный комплекс, однозначно и адекватно определяющий характерные особенности наноразмерных частиц и их производных.

В строгом понимании физической сущности особого состояния низкоразмерных объектов отсутствует адекватное описание особенностей строения, структуры, зарядового состояния и др. параметров, которые бы базировались на устоявшихся подходах, используемых в физике конденсированного состояния, квантовой механике, теории теплопереноса. Это обусловливает необходимость системного анализа не только особенностей строения, структуры, энергетических, теплофизических, реакционных и иных параметров низкоразмерных частиц, но и механизма их взаимодействия с окружающей средой и матричным материалом – металлическим, полимерным, керамическим, силикатным и т. п.

Параметры физических свойств вещества в наноразмерном диапазоне зависит от линейных параметров этих частиц. Установлено, что размерная граница между наносостоянием и макросостоянием зависит от физико-химических свойств вещества и не может быть принятой за одинаковые значения для всех веществ. Встречающаяся указанная граница в 100 нм для всех веществ не только никак не обоснована, но и лишена физического смысла.

Иногда вместо термина наночастица используют понятие наносостояния, которое применяют при анализе так называемых квантовых точек, квантовых систем, ям, вакансий и т.п. Причем, эти наносостояния рассматриваются как невыделяемые из большого объема объекты. Рассматриваемый подход является, с нашей точки зрения, не эффектным, так как любое вещество представляет собой совокупность нанообъектов или наносостояний. Атомы и молекулы имеют размеры в нанодиапазоне.

В данном учебном пособии наночастицы рассматриваются как фазовое состояние. В этом случае должны выполняются два требования. Во-первых, каждая частица имеет границу, то есть поверхность, оделяющую ее от других частиц и фаз. Следовательно, наночастица может быть выделена из вещества любого объема в качестве самостоятельного объекта. Во-вторых, параметры физического свойства зависят от размера частицы. Если эта зависимость при некоторых размерах L₀ исчезает, то следует говорить о переходе из нано- в макросостояние.