eng
Содержание
Содержание
Предисловие редактора и переводчика .......................................................... 7
Предисловие автора к русскому изданию................................................. 9
Предисловие к английскому изданию ...................................................... 10
Глава 1. Введение .......................................................................... 14
1.1.
Кластеры и наночастицы ............................................... 14
1.2.
Предвидение Фейнмана ..................................................... 16
Литература ........................................................................ 17
Дополнительная литература ................................................... 17
Глава 2. Объемная фаза и поверхности раздела ............................ 18
2.1.
Градиенты вблизи поверхностей раздела ......................................... 18
2.2.
Правила координационных чисел .................................................... 20
2.3.
Наука о поверхности как источник информации для нанонауки ............. 22
2.4.
Размеры частиц и микродеформации ........................................... 25
2.5.
Биомиметика. Природа – источник вдохновения для развития
нанотехнологии ......................................................................... 32
Ключевые моменты ............................................................... 34
Литература общего характера ................................................ 35
Цитированная литература ........................................................ 35
Дополнительная литература .................................................... 35
Глава 3. Геометрическая структура, магические и координационные числа
для малых кластеров ........................................................................... 36
3.1.
Последовательность радиальных функций потенциальной энергии ....... 36
3.2.
Магические числа для замкнутых геометрических оболочек .................... 43
3.3.
Магические числа для замкнутых электронных оболочек ........................ 46
3.4.
Энергия когезии и координационное число .................................. 50
Ключевые моменты ............................................................ 54
Литература общего характера .................................................. 54
Цитированная литература ...................................................... 54
Дополнительная литература ................................................ 55
Глава 4. Электронная структура .............................................................................. 56
4.1.
Дискретные состояния и зонная структура ....................................... 56
4.2.
Размерные эффекты и симметрия в квантовых структурах....................... 57
4.3.
Переходы неметалл – металл ............................................................ 63
4.3.1.
Общие критерии ......................................................................... 63
4.3.2.
Особый случай – двухвалентные элементы ....................................... 66
4.3.3.
Экспериментальные критерии и методы измерения
металлических свойств ........................................................................ 69
4.4.
Работа выхода, потенциал ионизации и электронное сродство ............... 74
4.5.
Электронная структура полупроводниковых и металлических
кластеров ............................................................................................. 79
4.5.1.
Оптические переходы в полупроводниковых нанокластерах ........... 794 Содержание
4.5.2.
Фотохимические и фотофизические процессы
в полупроводниковых наночастицах .................................................. 85
4.5.3.
Оптические свойства металлических нанокластеров ........................ 91
4.6.
Электронные устройства на полупроводниковых квантовых точках ....... 95
Ключевые моменты ...................................................................98
Литература общего характера ....................................................... 99
Цитированная литература ............................................................. 100
Дополнительная литература ............................................................ 101
Глава 5. Магнитные свойства ......................................................... 102
5.1.
Общие сведения о магнетизме................................................... 102
5.1.1.
Основные представления .......................................................103
5.1.3.
Парамагнетизм Кюри–Вейсса .......................................................... 104
5.1.4.
Антиферромагнетизм ......................................................................... 105
5.1.5.
Ферромагнетизм и ферримагнетизм ................................................. 106
5.1.6.
Молекулярные магниты .................................................................... 108
5.1.7.
Суперпарамагнетизм .......................................................................... 111
5.1.8.
Другие формы магнетизма ................................................................. 113
5.2.
Концепция фрустрации ............................................................................. 114
5.3.
Магнитные характеристики малых кластеров .......................................... 119
5.3.1.
Теоретические предсказания ............................................................. 119
5.3.2.
Экспериментальные наблюдения магнетизма кластеров................ 126
5.4.
Ферромагнитный порядок в тонких пленках и моноатомных
цепочках .............................................................................................. 133
5.5.
Размерные эффекты, выявляемые магнитно резонансными
методами ..................................................................................................... 137
5.5.1.
Ядерный магнитный резонанс .......................................................... 137
5.5.2.
Электронный парамагнитный резонанс ........................................... 139
Ключевые моменты .......................................................................................... 142
Литература общего характера ........................................................................... 143
Цитированная литература ................................................................................ 143
Дополнительная литература ............................................................................. 145
Глава 6. Термодинамика малых систем ................................................................. 146
6.1.
Ограничения классической термодинамики ............................................ 146
6.1.1.
Формальное приближение ................................................................ 146
6.1.2.
По ту сторону термодинамического предела ................................... 147
6.1.3.
Разрушение концепции о фазовых состояниях ............................... 150
6.2.
Основы теории капиллярности ................................................................. 154
6.3.
Фазовые переходы в свободных каплях жидкости ................................... 158
6.4.
Эффект лотоса .......................................................................... 160
6.5.
Классическая теория зародышеобразования ............................... 167
6.6.
Регулирование формы нанокристаллов ...................................... 175
6.7.
Размерные эффекты в ионной проводимости твердых тел ..................... 184
6.8.
Принципы самоорганизации ..................................................... 186
Ключевые моменты ......................................................................192
Содержание 5
Литература общего характера ........................................................... 193
Цитированная литература ..................................................................194
Дополнительная литература .............................................................. 195
Глава 7. Адсорбция, фазовые превращения и динамика процессов
в поверхностных слоях и порах .................................................. 197
7.1.
Поверхностная адсорбция и конденсация в порах ..................... 197
7.1.1.
Изотерма адсорбции Ленгмюра ............................................. 197
7.1.2.
Уравнение Брунауэра–Эммета–Теллера (БЭТ) ............................... 198
7.1.3.
Адсорбция в микропорах .................................................... 201
7.1.4.
Адсорбция и конденсация в мезопорах ............................................ 204
7.1.5.
Определение объема и среднего размера мезопор ........................... 205
7.2.
Гистерезис адсорбции и критическое состояние пор ............................... 206
7.3.
Температура плавления жидкости, стесненной в порах .......................... 216
7.4.
Фазовые переходы в слоях .......................................................... 224
7.4.1.
Образование твердых и жидких слоев на гладких поверхностях .... 224
7.4.2.
Фазовые переходы в жидкостях, стесненных внутри
гладких пор ......................................................................................... 226
7.5.
Сосуществование жидкостей и ионных растворов в порах ..................... 231
7.6.
Влияние давления ............................................................232
7.7.
Динамические процессы в порах ............................................... 233
7.7.1.
Диэлектрические характеристики .................................................... 233
7.7.2.
Диффузия и вязкость в стесненных условиях .................................. 238
Ключевые моменты ................................................................... 245
Литература общего характера ..................................................246
Цитированная литература ....................................................... 246
Дополнительная литература .......................................................... 248
Глава 8. Зародышеобразование, фазовые переходы и динамика кластеров ......... 249
8.1.
Температура и энтальпия плавления ............................................ 249
8.1.1.
Введение ............................................................................ 249
8.1.2.
Плавление кластеров олова на подложках ....................................... 250
8.1.3.
Плавление нанокристаллов с покрытиями ...................................... 255
8.1.4.
Плавление изолированных кластеров натрия .................................. 255
8.1.5.
Поведение изолированных кластеров серебра ................................. 261
8.1.6.
Моделирование плавления других металлических кластеров ......... 263
8.1.7.
Дискретное периодическое плавление кластеров индия ................ 263
8.1.8.
Вызываемое водородом плавление кластеров палладия ................. 265
8.2.
Динамическое поведение кластеров металла ............................. 266
Ключевые моменты ................................................................ 272
Литература общего характера ................................................272
Цитированная литература ........................................................... 272
Дополнительная литература ........................................................... 273
Глава 9. Фазовые переходы в двухмерных системах .............................274
9.1.
Плавление тонких слоев ............................................................274
9.2.
Структурные фазовые переходы в тонких слоях ...................................... 2756 Содержание
9.3.
Стеклование в тонких полимерных пленках ............................................ 277
9.4.
Поверхностные фазы в сплавах ................................................. 278
Ключевые моменты ......................................................................... 278
Цитированная литература ................................................................. 278
Дополнительная литература .............................................................. 279
Глава 10. Катализ металлическими наночастицами .............................. 280
10.1.
Некоторые общие принципы катализа
с использованием металлических наночастиц ......................................... 280
10.2.
Каталитические кластеры с регулируемым размером ............................ 282
10.3.
Зависимость каталитической активности от формы частиц ................. 289
10.4.
Влияние напряжений .................................................................296
10.6.
Взаимодействие с подложкой ...................................................... 299
10.7.
Влияние внешнего смещающего напряжения .............................. 303
Ключевые моменты ....................................................................... 305
Литература общего характера ......................................................... 306
Цитированная литература ................................................................ 306
Дополнительная литература .............................................................. 308
Глава 11. Применения: факты и фантазии ............................................309
11.1.
Наноматериалы ....................................................................... 309
11.1.1.
Общие соображения ........................................................... 309
11.1.2.
Использование в медицине .................................................. 310
11.1.3.
«Умные» поверхности ............................................................ 312
11.1.4.
Катализ ................................................................................. 312
11.1.5.
Защита окружающей среды .................................................... 312
11.2.
Нанотехнологии ....................................................................... 313
11.2.1.
Наномеханика..................................................................... 314
11.2.2.
Наноэлектроника ................................................................. 317
11.2.3.
Приложения, связанные со спинами и наномагнетизмом............ 321
11.2.4.
Приложения в оптике ............................................................ 322
11.3.
Надежды, опасности и разочарования .........................................325
11.3.1.
Нужна ли нанотехнология вообще? ........................................ 325
11.3.2.
Проблемы здоровья и состояния окружающей среды ................... 326
11.3.3.
Этические и социальные проблемы ......................................... 326
11.3.4.
Не является ли нанотехнология миражом? .................................... 328
Ключевые моменты .................................................................... 328
Литература общего назначения .......................................................... 329
Цитированная литература ................................................................... 329
Дополнительная литература ..................................................................331
Послесловие. Влияние размерных эффектов и поверхностей раздела
на физико химические свойства консолидированных наноматериалов ........... 332
Предисловие редактора и переводчика
Нанотехнология, позволяющая манипулировать веществом на уровне нанокри
сталлитов, молекул и атомов, обещает в значительной степени изменить жизнь
будущих поколений и становится одним из ведущих направлений развития об
щества в XXI столетии. На основе нанотехнологии можно создавать новые ма
териалы, системы и устройства, которые по своим характеристикам значитель
но превосходят свой существующий уровень. На русском языке уже опублико
вано немало переводных и отечественных изданий, посвященных общим и ос
новополагающим принципам нанотехнологии, а предлагаемая монография
Э. Родунера имеет ярко выраженный учебный характер: она основана на курсе
лекций автора в Штутгартском университете (ФРГ) для магистров химиков. Эти
лекции посвящены одной из центральных проблем нанотехнологической нау
ки – проявлению размерно зависимых эффектов в наномасштабных (нанораз
мерных, нанокристаллических, наноструктурных, нанокомпозитных и т.д.) ма
териалах.
Основные главы книги посвящены особенностям объема и границ раздела в
кластерах и наночастицах, их электронной структуре, магнитным, каталитичес
ким и термодинамическим характеристикам. Автор справедливо заостряет вни
мание на крушении обычных подходов классической термодинамики при описа
нии нанообъектов типа кластеров и наночастиц с характерным размером порядка
пяти нанометров и менее. К сожалению, сведения о размерных эффектах в кон
солидированных, т.е. состоящих из неизолированных кластеров и наночастиц, ма
териалах в монографии практически не описываются (за исключением неболь
шой гл. 9, посвященной двухмерным системам). Мы постарались в какой то сте
пени кратко восполнить этот пробел в послесловии, написанном на основе на
шего обзора в РХЖ (Российский химический журнал, т. 53, № 2, 2009, с. 4–14),
в котором из за ограниченного объема механические свойства наноматериалов
также не рассматривались. Дело в том, что нанотехнологическая проблематика
размерно зависимых эффектов в полном формате необычайно широка (она ох
ватывает и материалы, и устройства, и системы, включая, конечно, медицинские
и биологические аспекты), что естественно делает трудным или даже невозмож
ным ее характеристику в рамках небольшой монографии или тем более журналь
ного обзора. Некоторые дополнительные сведения и ссылки можно найти в об
зорной статье самого автора (E. Roduner. Size matters: why nanomaterials are different.
Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 583–592).
Рекомендуемая автором монографии литература несколько расширена за счет
наиболее представительных монографий, изданных в нашей стране в последнее
время. Можно было бы также подискутировать с автором по поводу некоторых
определений (например, в случае самоорганизации и самосборки), но нужно иметь
в виду, что в нанотехнологии и нанонауке для многих понятий процесс оптимиза
ции содержательной терминологии находится в стадии становления и наличие
разных мнений представляется вполне естественным.
Нанотехнология, позволяющая манипулировать веществом на уровне нанокри
сталлитов, молекул и атомов, обещает в значительной степени изменить жизнь
будущих поколений и становится одним из ведущих направлений развития об
щества в XXI столетии. На основе нанотехнологии можно создавать новые ма
териалы, системы и устройства, которые по своим характеристикам значитель
но превосходят свой существующий уровень. На русском языке уже опублико
вано немало переводных и отечественных изданий, посвященных общим и ос
новополагающим принципам нанотехнологии, а предлагаемая монография
Э. Родунера имеет ярко выраженный учебный характер: она основана на курсе
лекций автора в Штутгартском университете (ФРГ) для магистров химиков. Эти
лекции посвящены одной из центральных проблем нанотехнологической нау
ки – проявлению размерно зависимых эффектов в наномасштабных (нанораз
мерных, нанокристаллических, наноструктурных, нанокомпозитных и т.д.) ма
териалах.
Основные главы книги посвящены особенностям объема и границ раздела в
кластерах и наночастицах, их электронной структуре, магнитным, каталитичес
ким и термодинамическим характеристикам. Автор справедливо заостряет вни
мание на крушении обычных подходов классической термодинамики при описа
нии нанообъектов типа кластеров и наночастиц с характерным размером порядка
пяти нанометров и менее. К сожалению, сведения о размерных эффектах в кон
солидированных, т.е. состоящих из неизолированных кластеров и наночастиц, ма
териалах в монографии практически не описываются (за исключением неболь
шой гл. 9, посвященной двухмерным системам). Мы постарались в какой то сте
пени кратко восполнить этот пробел в послесловии, написанном на основе на
шего обзора в РХЖ (Российский химический журнал, т. 53, № 2, 2009, с. 4–14),
в котором из за ограниченного объема механические свойства наноматериалов
также не рассматривались. Дело в том, что нанотехнологическая проблематика
размерно зависимых эффектов в полном формате необычайно широка (она ох
ватывает и материалы, и устройства, и системы, включая, конечно, медицинские
и биологические аспекты), что естественно делает трудным или даже невозмож
ным ее характеристику в рамках небольшой монографии или тем более журналь
ного обзора. Некоторые дополнительные сведения и ссылки можно найти в об
зорной статье самого автора (E. Roduner. Size matters: why nanomaterials are different.
Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 583–592).
Рекомендуемая автором монографии литература несколько расширена за счет
наиболее представительных монографий, изданных в нашей стране в последнее
время. Можно было бы также подискутировать с автором по поводу некоторых
определений (например, в случае самоорганизации и самосборки), но нужно иметь
в виду, что в нанотехнологии и нанонауке для многих понятий процесс оптимиза
ции содержательной терминологии находится в стадии становления и наличие
разных мнений представляется вполне естественным.