Цель настоящей статьи – привлечь внимание российской научной общественности к работе [1], посвященной проблемам и «болевым точкам» современного естествознания и возможному методу их решения посредством введения нового исходного уровня представления о Материи – множества полевых сред, через которые, как представляется, осуществляются взаимодействия вещественных объектов во Вселенной, причем набор и форма этих сред определяют химический состав и внутреннюю структуру объектов, а, следовательно, их физико-химические свойства.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под редакцией д.т.н., профессора Мальцева П.П.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #1/2011
В.Киреев
Нанотехнологии: фундаментальные принципы и возможности
Просмотры: 3753
Цель настоящей статьи – привлечь внимание российской научной общественности к работе [1], посвященной проблемам и «болевым точкам» современного естествознания и возможному методу их решения посредством введения нового исходного уровня представления о Материи – множества полевых сред, через которые, как представляется, осуществляются взаимодействия вещественных объектов во Вселенной, причем набор и форма этих сред определяют химический состав и внутреннюю структуру объектов, а, следовательно, их физико-химические свойства.
Предложенный подход позволил уточнить определения ряда фундаментальных понятий в философии, физике и химии, а также объяснить значительное число новых данных и наблюдаемых явлений, ставивших в тупик традиционную науку. Основываясь на предложенной концепции [1], авторы акцентированно провели анализ становления, систематизацию и классификацию методов и объектов нанотехнологий с получением ряда новых результатов.

Универсальность коллоидного состояния вещества
Дисперсные системы являются гетерогенными и обычно состоят из двух или более фаз: дисперсной – в виде совокупности частиц или пор и дисперсионной среды и сплошной (непрерывной), в которой они распределены. Такие системы характеризуются определенной степенью дисперсности (раздробленности) вещества, определяемой как D = 1/a, где a – диаметр сферических и волокнистых частиц или пор цилиндрической формы, длина ребра кубических частиц, ширина волокнистых частиц прямоугольной формы, толщина пленок или полостей.
Исследования дисперсных систем, проведенные во второй половине XIX и начале ХХ веков европейскими учеными, позволили выделить из них коллоидные (ультрадисперсные) микрогетерогенные системы с размерами частиц или пор в диапазоне 1,0–100 нм (степень дисперсности 105 – 107 см-1), характеризующиеся различием в физико-химических свойствах при одинаковом химическом составе. Вещество в коллоидном состоянии диспергировано до очень малых частиц или пронизано мельчайшими порами порядка 1,0–100 нм, невидимыми в оптический микроскоп, но превышающими по размерам отдельные молекулы.

Это и послужило основанием для введения терминов «ультрадисперсность» и «микрогетерогенность» с целью характеристики малости размеров дисперсной фазы коллоидных систем [2].
Выделение таких систем в особую группу обусловлено несколькими обстоятельствами. Прежде всего, многие физико-химические свойства наноразмерных частиц значительно отличаются от таких же свойств того же вещества в виде более крупных (микро- и макроскопических) объектов. К числу этих свойств относятся: прочность, теплоемкость, температура плавления, электрические и магнитные характеристики, реакционная способность. Подобные различия называются размерными (или масштабными) эффектами. Кроме того, если размеры наночастиц хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, то у них появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы [2].
Обобщив в 1904–1910 годах результаты исследований дисперсных систем, профессор С.-Петербургского горного института П.П.Веймарн сформулировал фундаментальный принцип универсальности коллоидного состояния вещества:
«Коллоидное состояние не является обособленным, обусловленным какими-либо особенностями состава вещества. При определенных условиях каждое вещество может быть получено в коллоидном состоянии» [3], т. е. любое вещество может быть получено в виде коллоида и, следовательно, целесообразно говорить не о коллоидных веществах, а именно о коллоидном состоянии, как свойстве Материи.
Принцип универсальности требует введения в качестве пятого агрегатного (фазового) состояния, наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным, коллоидного (ультрадисперсного, наноструктурированного) состояния вещества.
Однако современники П.П.Веймарна и их последователи посчитали, что в коллоидных системах дисперсные частицы и дисперсионные среды могут образовывать разные вещества либо одно вещество в различных агрегатных состояниях, поэтому было решено, что коллоиды – это гетерогенные системы, содержащие вещества в ультрадисперсном состоянии [2,4–6].
Авторы [1], обобщив результаты, полученные ими в ряде работ, например [7–9], доказывают:
Присутствие практически во всех твердых веществах и материалах дефектов и химических загрязнений (чужеродных атомов) позволяет рассматривать их как гетерогенные дисперсные системы, образованные из двух или более физических фаз – областей одинакового химического состава с разной геометрией внутренней структуры и/или химических фаз – областей разного химического состава, разделенных поверхностями раздела.
Внутреннее строение (структура) твердых веществ и материалов, определяющее их физико-химические свойства, – это пространственное расположение структурных единиц, образующих набор физических и химических фаз с поверхностями раздела между ними, а также набор дефектов (точечных, линейных, плоскостных и объемных) разной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимосвязей и порядком сцепления их между собой.
Внутреннее строение простого твердого вещества зависит от формы, размеров и плотности физических фаз с одинаковой структурой (зерен, кристаллитов, блоков, доменов, аллотропических модификаций), площади межфазовых поверхностей и формы, размеров и плотности дефектов, создаваемых в веществе в процессе его получения, формирования и использования.
Внутреннее строение твердого химического соединения зависит от формы, размеров и плотности физических фаз, дефектов и химических фаз, а также площади межфазовых поверхностей, в совокупности определяемых условиями получения формирования и использования соединения.
Физико-химические свойства любого твердого вещества (материала) зависят от его структуры, которая определяется природой самого вещества и условиями его перехода в твердое состояние при получении, а также условиями формирования и эксплуатации.
Таким образом, условия получения, формирования и обработки твердых веществ и материалов задают форму, размеры и плотность дефектов, физических и химических фаз, а также площади межфазовых поверхностей раздела внутри их объема, в совокупности определяющих структуру, а, следовательно, их физико-химические свойства.
В связи с изложенными рассуждениями, в [1] уточняется положение, приводимое в учебниках химии, например, «молекулярное вещество остается химически неизменным до тех пор, пока сохраняются неизменными состав и строение его молекул, а немолекулярное вещество – пока сохраняется его состав и характер связей между атомами» [10].
Указанное положение справедливо только для веществ в газообразном и, частично, в жидком состоянии. По всей видимости, для твердых веществ и материалов оно может быть сформулировано следующим образом: «любое вещество и материал в твердом состоянии остается химически неизменным до тех пор, пока сохраняются неизменными его состав и внутреннее строение (структура)» [1].
Перевод вещества в коллоидное (ультрадисперсное) состояние называется наноструктурированием, под которым следует понимать не только получение его в виде свободных наночастиц и нанослоев, но создание и формирование на поверхности вещества наноструктур и нанослоев, а в объеме физических и/или химических нанофаз, а также нанополостей, которые можно рассматривать как своеобразные нанообъекты, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела.
Вещества, материалы и среды в коллоидном состоянии с размерами фаз, частиц, структур и слоев в диапазоне 1,0–100 нм принято называть наносистемами, а сами такие объекты – наночастицами, наноструктурами, нанослоями, (нанопленками), нанофазами и нанополостями, обычно обозначая их совокупность термином «нанообъекты».
Под технологией, в производственном смысле, понимаются способы контролируемого преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления [4].
Тогда: нанотехнологии – это способы контролируемого получения веществ, материалов и сред в наноструктурированном (коллоидном) состоянии с новыми физико-химическими свойствами, сопровождающиеся исследованием этих свойств и измерением характеристик и последующим использованием в различных отраслях науки, техники и промышленности [1].
Таким образом, выбирая и контролируя условия получения, формирования и обработки твердых веществ их практически всегда можно перевести в наноструктурированное агрегатное состояние с новыми физико-химическими свойствами по сравнению с аналогами с микро- и макроструктурой, т. е. получить наборы их искусственных аллотропных или полиморфных модификаций.
Следует отметить, что наноструктурированные вещества (материалы) можно получать двумя основными методами:
диспергированием (измельчением, дроблением) внутренней структуры аналогов до наноразмерного уровня, используя различные способы внесения дефектов и химических примесей (подход «сверху вниз»);
уплотнением (объединением, компактированием, конденсированием) механических смесей нанообъектных аналогов (частиц, волокон, пленок и др.) различными способами термообработки под давлением (подход «снизу вверх»).
Введением дефектов и (или) химических примесей в монокристаллическое или поликристаллическое вещество, т. е. нарушением его внутренней структуры с помощью механических, термических и радиационных воздействий можно это вещество перевести в наноструктурированное состояние, т. е. получить непрерывные наборы искусственных аллотропных и полиморфных модификаций с различными физико-химическими свойствами (например, превращение поликристаллических металлов в металлические стекла или кристаллов полупроводников с собственной проводимостью в кристаллы полупроводников n- и p-типа).
С помощью подбора условий внешней среды (ее вида, температуры, давления и их градиентов) из механических смесей нанообъектов различного вида, размеров и формы можно получить непрерывные наборы простых веществ и химических соединений одинакового состава, но с разным внутренним строением, т. е. наборы искусственных аллотропных и полиморфных модификаций (например, получение металлокерамики и ситаллов из нанопорошков, формирование сверхтвердых покрытий из чередующихся слоев нанометровой толщины разных материалов).
Таким образом, с помощью контролируемых механических, термических и радиационных воздействий из любого вещества (материала) или из механической смеси нанообъектов можно образовывать непрерывные наборы новых искусственных наноструктурированных веществ и материалов в виде аллотропных и полиморфных модификаций [1].
Различные диспергационные, конденсационные и комбинированные методы формирования нанообъектов и наносистем приведены в работе [8].

* * *
В заключение автор обращается с предложением к широкой научной общественности ознакомиться с [1] и вынести вердикт в научном плане: насколько представленные в работе предложения заслуживают внимания современных материаловедов и являются революционными, а коллективам отраслевых и академических институтов и исследовательских организаций, занимающихся разработкой и созданием новых материалов для различных областей применения, предлагается воспользоваться рекомендациями цитируемой статьи при решении сложных прикладных задач.

Литература
Киреев В.Ю., Врублевский Э.М., Недзвецкий В.С., Сосновцев В.В. Философские, физические и химические аспекты объектов и методов нанотехнологий. – Информация и инновации, 2010, спец. вып., с.1–90.
Сумм Б.Д. Основы коллоидной химии. 3-е изд. – М.: Издательский центр «Академия», 2009.
Веймарн П. П. К учению о состоянии материи (основания кристаллизационной теории необратимых коллоидов). – СПБ.: 1910. 
Большая советская энциклопедия (БСЭ)./Гл. ред. А.М. Прохоров. 3-е изд. – М.: Сов. энциклопедия, 1969–1978. 
Некрасов Б.В. Курс общей химии. 14 изд.– М.: Госхимиздат, 1962. 
Горбачук В.В., Загуменных В.А., Сироткин В.А. и др. Практическое руководство по лабораторным работам по коллоидной химии. – Казань: Изд-во Казанского госуниверситета, 2001. 
Врублевский Э., Киреев В., Недзвецкий В., Сосновцев В. Нанотехнология – путь в будущее или бренд для финансирования. – Нано- и микросистемная техника, 2007, №12, с.6–20.
Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. – М.:ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. 
Киреев В. Нанотехнологии: история возникновения и развития. – Наноиндустрия, 2008, №2, с.2–8.
Жуков С.Т. Химия для 8–9 классов. – М.: школа N548, 2002, Центр образования «Царицыно» – http://www.chem.msu.su/rus
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art