Предисловие ..................................................... 8
Введение ....................................................... 10

Глава 1. Нанокластеры .......................................... 26

1.1. Классическая теория зародышеобразования ................... 28
1.2. Методы синтеза кластеров .................................. 31
1.3. Структура и свойства кластеров ............................ 33
     1.3.1. Магические числа ................................... 35
     1.3.2. Теоретическая модель кластера ...................... 37

Глава 2. Наноструктуры ......................................... 44

2.1. Классификация наноструктур ................................ 44
2.2. Нульмерные наноструктуры .................................. 45
2.3. Одномерные наноструктуры .................................. 45
     2.3.1. Материалы одномерных наноструктур .................. 47
     2.3.2. Формирование одномерных наноструктур ............... 47
2.4. Тубулярные наноструктуры .................................. 50
     2.4.1. Углеродные нанотрубки .............................. 50
            2.4.1.1. История открытия углеродных нанотрубок .... 50
            2.4.1.2. Структура углеродных нанотрубок ........... 52
            2.4.1.3. Многостенные нанотрубки ................... 56
            2.4.1.4. Механизмы роста нанотрубок ................ 57
            2.4.1.5. Синтез углеродных нанотрубок .............. 61
            2.4.1.6. Разделение ОСНТ ........................... 66
            2.4.1.7. Физические свойства углеродных
                     нанотрубок ................................ 66
            2.4.1.8. Интеркалированные нанотрубки .............. 70
     2.4.2. Неорганические тубулярные структуры ................ 72
            2.4.2.1. Подходы к синтезу неорганических
                     нанотрубок ................................ 73
            2.4.2.2. Синтез неорганических нанотрубок .......... 74
2.5. Двумерные наноструктуры ................................... 75
     2.5.1. Осаждение пленок из газовой фазы ................... 76
            2.5.1.1. Кинетика и термодинамика процессов роста
                     пленок .................................... 77
            2.5.1.2. Механизмы роста пленок .................... 79
     2.5.2. Физические методы осаждения пленок ................. 81
            2.5.2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) ....... 81
            2.5.2.2. Импульсное лазерное осаждение (ИЛО) ....... 83
            2.5.2.3. Распылительное осаждение .................. 84
     2.5.3. Методы химического осаждения пленок ................ 85
            2.5.3.1. Химическое осаждение из газовой фазы
                     (CVD) ..................................... 85
            2.5.3.2. Послойное осаждение пленок ................ 89
            2.5.3.3. Химическое осаждение из растворов ......... 89
            2.5.3.4. Пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) ............. 91
2.6. Трехмерные наноструктуры .................................. 93

Глава 3. Свойства веществ в нанокристаллическом состоянии ...... 96

3.1. Оптические и электронные свойства наносистем .............. 96
     3.1.1. Оптические свойства наночастиц металлов.
            Плазмонный резонанс ................................ 97
     3.1.2. Оптические свойства полупроводниковых наночастиц.
            Квантоворазмерный эффект .......................... 103
     3.1.3. Зонная структура .................................. 109
     3.1.4. Поверхность нанокристаллов: дефекты координации
            и барьерное ограничение ........................... 111
            3.1.4.1. Сокращение длины связей в
                     приповерхностном слое .................... 111
            3.1.4.2. Поверхностный потенциальный барьер ....... 113
     3.1.5. Сокращение поверхностных связей, энергия
            связывания и отношение поверхности к объему ....... 113
            3.1.6. Зависимость зонной структуры от размера
                   наночастиц ................................. 114
3.2. Фотонные кристаллы ....................................... 117
            3.2.1. Размерность фотонных кристаллов ............ 119
            3.2.1.1. Фотонные запрещенные зоны ................ 119
            3.2.2. Основы теории фотонных кристаллов:
                   одномерный случай .......................... 121
            3.2.3. Методы формирования фотонных кристаллов .... 122
            3.2.4. Опалы как шаблон для создания фотонных
                   кристаллов ................................. 124
                   3.2.4.1. Природные опалы ................... 125
            3.2.5. Синтетические опалы ........................ 126
            3.2.6. Кристаллическая структура синтетических
                   опалов ..................................... 126
            3.2.7. Фотонные кристаллы на основе
                   синтетических опалов ....................... 128
            3.2.8. Материалы на основе фотонных кристаллов.
                   Области применения ......................... 131
3.3. Магнитные свойства наносистем ............................ 133
            3.3.1. Доменная структура ферромагнитных
                   материалов ................................. 135
            3.3.2. Суперпарамагнетизм ......................... 138
            3.3.3. Энергия магнитной анизотропии .............. 141
                   3.3.3.1. Магнитокристаллическая
                            анизотропия ....................... 141
            3.3.4. Анизотропия формы .......................... 143
            3.3.5. Анизотропия механического напряжения ....... 147
            3.3.6. Обменная анизотропия ....................... 148
            3.3.7. Перемагничивание однодоменных частиц ....... 149
            3.3.8. Когерентное вращение магнитных моментов .... 151
            3.3.9. "Свертка" магнитных моментов с
                   образованием вихревого поля ................ 153
            3.3.10.Магнитостатические взаимодействия
                   нанонитей .................................. 155
            3.3.11.Магнитные наноматериалы .................... 155
3.4. Механические свойства наносистем ......................... 157
     3.4.1. Закон Холла-Петча ................................. 158
     3.4.2. Структура межзеренных границ ...................... 160
     3.4.3. Дефекты в наноструктурированных материалах ........ 160
     3.4.4. Влияние границ раздела на механические свойства
            нанокристаллических наноматериалов ................ 164
     3.4.5. Упругие свойства. Высокотемпературная
            ползучесть ........................................ 164
     3.4.6. Моделирование зерен и межзеренных границ при
            нагружении ........................................ 166
     3.4.7. Нанокомпозиты. Армирование. Адгезионная
            прочность ......................................... 167
     3.4.8. Механические свойства углеродных нанотрубок ....... 168

Глава 4. Методы получения наноматериалов ...................... 172

4.1. Классификация методов синтеза наноматериалов ............. 173
     4.1.1. Физические методы синтеза ......................... 176
            4.1.1.1. Газофазный синтез ........................ 176
            4.1.1.2. Механосинтез, детонационный синтез и
                     электровзрыв ............................. 178
     4.1.2. Химические методы синтеза ......................... 179
            4.1.2.1. Золь-гель метод .......................... 179
            4.1.2.2. Гидротермальный и сольвотермальный
                     синтез ................................... 181
            4.1.2.3. Коллоидные нанореакторы .................. 183
4.2. Методы разделения наночастиц по размеру .................. 203
4.3. Процессы самосборки в наносистемах ....................... 206
     4.3.1. Сверхкластеры ..................................... 218
     4.3.2. Движущие силы организации наносистем .............. 219
     4.3.3. Консервативная самоорганизация .................... 222
     4.3.4. Диссипативная самоорганизация ..................... 224
            4.3.4.1. Принцип Кюри ............................. 228
            4.3.4.2. Соотношения взаимности Онсагера .......... 228
            4.3.4.3. Теорема Глансдорфа-Пригожина ............. 229
4.4. Синтез наночастиц в аморфных матрицах .................... 239
4.5. Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах ............... 240
     4.5.1. Наночастицы в нульмерных нанореакторах ............ 240
            4.5.1.1. Цеолиты .................................. 240
     4.5.2. Наночастицы в одномерных нанореакторах ............ 245
            4.5.2.1. Мезопористые молекулярные сита ........... 245
            4.5.2.2. Пористый оксид алюминия .................. 258
     4.5.3. Наночастицы в двумерных нанореакторах ............. 268
            4.5.3.1. Слоистые двойные гидроксиды .............. 268
4.6. Нанолитография ........................................... 274
     4.6.1. Классификация методов литографии .................. 276
     4.6.2. Оптическая литография ............................. 276
            4.6.2.1. Схема контроля освещенности,
                     проекционная литография .................. 277
            4.6.2.2. Маски микро- и нанолитографии ............ 278
            4.6.2.3. Внеосевая литография ..................... 280
            4.6.2.4. Оптические схемы. Материалы оптических
                     систем ................................... 280
            4.6.2.5. Материалы резистов ....................... 282
     4.6.3. Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) ............... 283
            4.6.3.1. SCALPEL .................................. 284
     4.6.4. Ионно-лучевая литография (ИЛЛ) .................... 285
     4.6.5. Безмасочная литография (direct writing) ........... 286

            4.6.5.1. Воздействие сфокусированным пучком
                     заряженных частиц, FIB-литография ........ 286
            4.6.5.2. Механическое воздействие зондом СЗМ ...... 288
            4.6.5.3. Нанооксидирование ........................ 288
     4.6.6. Технологии нанопечати ............................. 289
            4.6.6.1. Метод горячего тиснения (hot embossing
                     technique) ............................... 290
            4.6.6.2. Использование полимеризации резиста ...... 290

Глава 5. Методы исследования веществ в нанокристаллическом
         состоянии ............................................ 296

5.1. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) ................... 296
     5.1.1. Сканирующая туннельная микроскопия ................ 298
     5.1.2. Атомно-силовая микроскопия ........................ 301
5.2. Автоионная микроскопия (АИМ) ............................. 307
5.3. Методы электронной микроскопии ........................... 308
     5.3.1. Формирование изображения .......................... 311
     5.3.2. Возможности электронной микроскопии ............... 314
5.4. Спектроскопические методы ................................ 318
     5.4.1. Радиоспектроскопия ................................ 318
            5.4.1.1. Микроволновая спектроскопия  ............. 318
            5.4.1.2. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) ......... 319
            5.4.1.3. Электронный парамагнитный резонанс
                     (ЭПР) .................................... 321
     5.4.2. ИК и КР-спектроскопия ............................. 324
     5.4.3. Рентгеновская и фотоэлектронная спектроскопия ..... 329
            5.4.3.1. Рентгеновская спектроскопия поглощения
                     (EXAFS, XANES) ........................... 330
            5.4.3.2. Рентгеновская фотоэлектронная
                     спектроскопия (РФЭС) ..................... 331
            5.4.3.3. Рентгенофлуоресцентная спектроскопия ..... 333
     5.4.4. Мессбауэровская спектроскопия ..................... 333
5.5. Дифракционные методы исследования ........................ 334
     5.5.1. Основы теории дифракции ........................... 334
     5.5.2. Дифракция на кристаллических решетках ............. 337
     5.5.3. Дифракция в аморфных веществах .................... 338
     5.5.4. Размерные эффекты в дифракционных картинах
            наноструктур ...................................... 339
     5.5.5. Характеризация функциональных свойств наносистем
            дифракционными методами ........................... 343

Глава 6. Применение функциональных наноматериалов ............. 353

6.1. Наномеханизмы и наноустройства. Микро- и
            наноэлектромеханические системы ................... 355
     6.1.1. Микро- и нанотрибология ........................... 358
     6.1.2. Наномеханика и износ наномеханизмов ............... 361
     6.1.3. Преобразование энергии ............................ 363
     6.1.4. Электростатические актюаторы ...................... 364
     6.1.5. Магнитные актюаторы ............................... 366
     6.1.6. Пьезоэлектрические актюаторы ...................... 367
     6.1.7. Тепловые актюаторы ................................ 370
     6.1.8. Гидравлические актюаторы .......................... 371
     6.1.9. Сенсорные НЭМС .................................... 372
     6.1.10.Технологии производства МЭМС и НЭМС ............... 374
     6.1.11.Материалы для МЭМС и НЭМС ......................... 375
     6.1.12.Молекулярные актюаторы ............................ 375
            6.1.12.1.Молекулярные моторы ...................... 376
            6.1.12.2.Миозин, кинезин и диенин ................. 379
            6.1.12.3.Искусственно создаваемые молекулярные
                     актюаторы ................................ 381
            6.1.12.4.Интеграция биологических молекулярных
                     агрегатов в устройства ................... 381
            6.1.12.5.Ротаксаны и катенаны ..................... 381
            6.1.12.6.Нанолифт ................................. 385
            6.1.12.7.Устройства на основе алкенов ............. 386
6.2. Наноэлектроника .......................................... 387
     6.2.1. Современные транзисторы ........................... 389
            6.2.1.1. Проявление квантовых эффектов ............ 390
            6.2.1.2. Проблема плотности энергии и
                     теплоотвода .............................. 390
            6.2.1.3. Дефекты и ошибки ......................... 390
            6.2.1.4. Транзисторы на основе углеродных
                     нанотрубок ............................... 391
     6.2.2. Квантовые компьютеры .............................. 393
            6.2.2.1. Принципы квантового компьютера (КК) ...... 394
            6.2.2.2. Алгоритмы квантового компьютера .......... 394
            6.2.2.3. Материалы для квантового компьютера ...... 395
            6.2.2.4. Перспективы развития квантовых
                     компьютеров .............................. 397
6.3. Молекулярная электроника ................................. 398
     6.3.1. Исследование электрических свойств структур
            Hg SAM/SAM Hg ..................................... 398
     6.3.2. Определение напряжения пробоя самособирающихся
            монослоев из ароматических и алифатических
            сульфонатов ....................................... 399
     6.3.3. Использование слабой связи для измерения
            электрических свойств молекул ..................... 399
     6.3.4. Использование шаблона из Si3N4 для измерения
            электрических свойств отдельных молекул ........... 400
     6.3.5. Измерение электронных характеристик молекул ....... 401
     6.3.6. Элементы молекулярной электроники ................. 403
6.4. Магнитные носители информации ............................ 411
6.5. Материалы для бионанотехнологии .......................... 421
     6.5.1. Конструкционные наноматериалы для медицины ........ 422
     6.5.2. Нанофармакология и нанолекарства .................. 426
     6.5.3. Синтез, биоконъюгация и биосовместимость
            наночастиц ........................................ 428
     6.5.4. Магнитные наноматериалы в медицине ................ 429
     6.5.5. Магнито-жидкостная гипертермия .................... 432
     6.5.6. Нанокапсулы ....................................... 435
     6.5.7. Нанолекарства и наномедицина ...................... 437
     6.5.8. Наносистемы для диагностики заболеваний ........... 437
     6.5.9. Наноинструменты для микробиологии и медицины ...... 441
     6.5.10.Токсичность веществ в нанодисперсном состоянии .... 445