Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

Зміст

Вступ

Розділ I. Нанофізика – основа нанотехнологій.

1.1. З історії виникнення і розвитку нанофізики.

1.2. Фізичні основи (принципи) дослідження властивостей нанооб’єктів.

1.3. Методи отримання наноматеріалів.

Розділ II. Стан та перспективи розвитку нанофізики і нанотехнологій.

2.1. Наноматеріали та їх фізичні властивості.

2.2. Застосування наноматеріалів – сучасний стан.

2.3. Перспективи розвитку та застосування нанотехнологій.

Розділ ІІІ. Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики.

3.1.Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій  в основній школі.

3.2. Викладання  елементів нанофізики і нанотехнологій  в старшій школі.

Висновки

Список використаних літературних джерел

Вступ

Актуальність теми. Людство пройшло багато етапів розвитку, пов’язаних  з  важливими  відкриттями, які дали  інтенсивний  імпульс подальшому поступу цивілізації. Це винайдення колеса, металів – міді, бронзи, заліза; революційним стало усвідомлення геліоцентричної будови Сонячної системи й того, що Земля – куля. Особливо важливі етапи – створення парового двигуна, а згодом – розуміння будови атома,  відкриття  елементарних  частинок (електрона, протона, нейтрона тощо), усвідомлення  обмеженості  ньютонівської  моделі будови Всесвіту,  створення  квантової теорії  будови матерії  та  теорії  відносності Ейнштейна тощо. У XX столітті були започатковані й нині бурхливо розвиваються принципово нові галузі енергетики (атомна), техніки (лазери, комп’ютери), сучасні глобальні засоби комунікації (Інтернет) тощо.

Тепер більшість з нас уже не може уявити собі життя без сучасних досягнень науки, техніки, медицини. Наступним кроком у цьому розвитку стане освоєння нанотехнологій, а саме, систем дуже малого розміру, здатних виконувати команди людей. Мною було проведено узагальнюючий аналіз статей, виступів, теоретичного матеріалу з області нанотехнологій. Дана тема роботи зацікавила мене своїми перспективами, що відкриваються для людства здатністю вивести життя на абсолютно новий рівень.

Протягом останнього десятиріччя термін «нанотехнології» міцно закріпився в суспільній свідомості, ставши синонімом в понятті нового. Використовують його навіть в рекламних роликах від електротехніки до косметики.

Грецьке слово "нанос" приблизно означає "гном". При зменшенні розміру частинок до 100 нм і менше, властивості матеріалів (механічні, електричні і т.д.) істотно змінюються. Фундаментальні дослідження явищ, що відбуваються в структурах з розмірами менше 100 нм, дали початок розвитку нової галузі знань, яка, вочевидь, в близькому майбутньому внесе кардинальні зміни до технологій XXI  сторіччя.

Термін «нанонаука» використовується зараз для позначення досліджень явищ на атомному та молекулярному рівні і наукового обґрунтування процесів нанотехнології, кінцевою метою якої є отримання наноматеріалів. Нанонаука, таким чином, може розглядатися як початковий етап нанотехнології, коли до створення матеріалів ще досить далеко.

Різниця між властивостями малих часток та властивостями масивного матеріалу відома вченим давно і використовується в різних областях науки та техніки. Прикладами наноматеріалів може бути виготовлення цифрових відеодисків (DVD). В галузі медицини можливе створення роботів-лікарів, здатних “ жити ” всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи їх виникненню. Теоретично нанотехнології здатні забезпечити людині фізичне безсмертя, за рахунок того, що наномедицина зможе нескінченно регенерувати клітини, що відмирають. Вражаючі приклади пов'язані з біологією, де жива природа демонструє нам наноструктури на рівні клітинного ядра. Якісна характеристика нанотехнології полягає  в практичному використанні нового рівня знань про фізико-хімічні властивості матерії. У цьому одночасно і винятковість нанотехнології - новий рівень знань передбачає вироблення великих змін в напрямах розвитку техніки, сільськогосподарського виробництва, а також змін в екологічній, соціальній і військовій сферах.

Використання цих властивостей на практиці і складає суть нанотехнологій. На її основі вже реалізовані зразки наноструктурованих надтвердих, надлегких, корозійностійких і зносостійких матеріалів і покриттів, каталізаторів з високорозвиненою поверхнею, нанопористих мембран для систем тонкого очищення рідин, надшвидкісних приладів наноелектроніки.

Отже, все сказане вище зумовлює актуальність дослідження теми «Фізика і нанотехнології» на даний час.

Об'єктом вивчення є фізичні явища і процеси в області нанопростору.

Предмет дослідження – фізичні основи нанотехнологій та їх застосування у науці й техніці.

Мета роботи: розкрити особливості фізичних процесів в області нанотехнологій та перспективи їх застосування.

Завдання: 

- ознайомиться з фізичними методами дослідження нанооб’єктів;

- розглянути використання  наноматеріалів;

- оцінити проблеми та перспективи майбутнього нанотехнологій;

Розділ I. Нанофізика – основа нанотехнологій

1.1. З історії виникнення і розвитку нанофізики

Один нанометр (від грецького «нано» - карлик) дорівнює одній мільярдній частині метра. На цій відстані можна впритул розташувати приблизно 10 атомів. Мабуть, першим ученим, що використав цю одиницю виміру, був Альберт Ейнштейн, який у 1905 р. теоретично довів, що розмір молекули цукру дорівнює одному нанометру.

У 1931 р. Німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, що вперше дозволив досліджувати нанооб'єкти. Він і став прообразом нового покоління подібних пристроїв, що дозволили заглянути в наносвіт.

У 1932 р. голландський професор Фріц Церніке, Нобелівський лауреат 1953 р., винайшов фазово-контрастний мікроскоп - варіант оптичного мікроскопа, що поліпшує якість показу деталей зображення, і дослідив за його допомогою живі клітини (раніше для цього доводилося застосовувати барвники, які вбивали живі тканини).

Цікаво, що Церніке пропонував свій винахід фірмі «Цейс», але менеджери не усвідомили його перспективності, хоча сьогодні такі мікроскопи активно застосовуються в медицині.

У 1939 компанія Siemens, в якій працював Руска, випустила перший комерційний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 10 нм.

Днем народження нанотехнологій вважається 29 грудня 1959. Саме тоді професор Каліфорнійського технологічного інституту Річард Фейнман (Нобелівський лауреат 1965 р.) у своїй лекції «Як багато місця там, внизу» («There's plenty of room at the bottom»), прочитаної перед Американським фізичним товариством , відзначив можливість використання атомів як будівельних часток.

1966 Американський фізик Рассел Янг, який працював у Національному бюро стандартів, придумав п'єзоелектричний двигун, який використовується сьогодні в скануючих тунельних мікроскопах і для позиціонування наноінструментів з точністю до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A °).

1968 Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо і співробітник її відділення з досліджень напівпровідників Джон Артур обґрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологій у вирішенні задач обробки поверхонь і досягнення атомної точності при створенні електронних приладів.

1971 Рассел Янг висунув ідею приладу Topografiner, що став прообразом зондового мікроскопа. Настільки тривалі терміни розробки подібних пристроїв пояснюються тим, що спостереження за атомарними структурами призводить до зміни їх стану, тому були потрібні якісно нові підходи, які не руйнують досліджувану речовину.

Щоправда, невдовзі роботи над Topografiner були припинені, і визнання до Янга прийшло тільки в 1979 р., після чого він отримав безліч нагород.

1974 Японський фізик Норіо Танігучі, що працював у Токійському університеті, запропонував термін «нанотехнології» (процес поділу, складання і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), який швидко завоював популярність у наукових колах.

1982 У Цюріхському дослідному центрі IBM фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер (Нобелівські лауреати 1986 разом з Ернстом Руска) створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати тривимірну картину розташування атомів на поверхнях електропровідних матеріалів.

СТМ діяв за принципом, схожим із закладеним в Topografiner, але швейцарці створили його незалежно від Янга, домігшись значно більшої роздільної здатності і розпізнавши окремі атоми в кальцієво-іридієво-олов'яних кристалах.

Головною проблемою в дослідженні були фонові перешкоди - вістря мікроскопа, яке позиціонувалося з точністю до розмірів атома, збивалося від найменших шумів і вібрацій що доносилося з вулиці.

1985 Троє американських хіміків: професор з Університету Райса Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Херольд Крото (Нобелівські лауреати 1996 р.) відкрили фуллерени - молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі сфери. Ці вчені також вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.

1986 Герд Бінніг розробив зондовий скануючий атомно-силовий мікроскоп, що дозволив нарешті візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тільки електропровідних), а також маніпулювати ними.

1986 Американський вчений Ерік Дрекслер, який працював у лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту, написав книгу «Машини творення» («Engines of Creation»), в якій висунув концепцію універсальних молекулярних роботів, що працюють за заданою програмою і збирають що завгодно (у тому числі і собі подібних) з підручних молекул.

Ця ідея була, мабуть, навіяна Дрекслеру його основною діяльністю - в задачах штучного інтелекту ідея самовідтворювваних пристроїв зустрічається постійно.

Учений вже тоді досить точно передбачив чимало прийдешніх досягнень нанотехнологій, і починаючи з 1989 р. його прогнози збуваються, причому нерідко зі значним випередженням термінів.

1987-1988 рр. У НДІ «Дельта» під керівництвом П.М. Лускіновича запрацювала перша російська нанотехнологічна установка, яка здійснювала спрямовану емісію частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагрівання.

1989 Учені Дональд Ейглер і Ерхард Швецер з Каліфорнійського наукового центру IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікелю назву своєї компанії.

Для першого в світі цільового перенесення окремих атомів у нове місце вони використовували СТМ виробництва IBM. Щоправда, такий напис проіснував недовго - атоми швидко розбіглися з поверхні.

Але сам факт наявності стороннього атома в молекулярній структурі деякої речовини відкривав потенційну можливість створення молекулярних автоматів, які давали можливість виявити присутність або відсутність певного атома в деякій позиції як логічий стан.

1991 Японський професор Суміо Іідзіма, що працював в компанії NEC, використовував фуллерени для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали у сто разів міцніші за сталь. Залишалося навчитися робити такі трубки якомога більш довгими. Крім того, відкрилася можливість збирати з нанотрубок різні наномеханізми з зачепами і шестерінками.

Програміст Уоррен Робінет і хімік Стен Уїльямс, співробітники університету Північної Кароліни, виготовили наноманіпулятор - робот розміром з людину, керований через інтерфейс віртуальної реальності.

1991 р. У США запрацювала перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю почав займатися й уряд Японії. А от у Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні розпочалася тільки з 1997 р.

1997 Ерік Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова збірка нанопристроїв з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.

1998 Сиз Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок, використовуючи їх як молекули. Для цього йому довелося першим у світі виміряти електричну провідність такої молекули.

З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.

У Японії запущена програма «Astroboy» з розвитку наноелектроніки, здатної працювати в умовах космічного холоду і при спеці в тисячі градусів.

1999 Американські вчені - професор фізики Марк Рід (Єльський університет) та професор хімії Джеймс Тур (університет Райса) - розробили єдині принципи маніпуляції як однією молекулою, так і їх ланцюжком.

2000 Німецький фізик Франц Гіссібл розгледів в кремнії субатомні частинки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографії - створення тривимірної картини внутрішньої будови речовини з роздільною здатністю 100 нм. Проект фінансувала компанія Volkswagen.

Уряд США відкрило Національну нанотехнологічну ініціативу (NNI). У бюджеті США на цей напрямок виділено 270 млн. дол., комерційні компанії вклали в нього в 10 разів більше.

2001 Реальне фінансування NNI перевищило заплановане (422 млн. дол.) на 42 млн. Марк Ратнер вважає, що нанотехнології стали частиною життя людства саме в 2001 році. Тоді відбулися дві знакові події: впливовий науковий журнал Science назвав нанотехнології - "проривом року", а впливовий бізнес-журнал Forbes - "новою багатообіцяючою ідеєю". Нині по відношенню до нанотехнологій періодично вживають вираз "нова промислова революція".

У Томському державному університеті Росії розроблені склади і технологія одержання нових тонкоплівкових наноструктурних матеріалів на основі подвійних оксидів цирконію і германію, що мають високу хімічну, термічну стійкість і володіють хорошою адгезією до різних підкладок (кремнію, скла та ін.) Товщина плівок становить від 60 до 90 нм, розміри включень - 20-50 нм. Отримані там матеріали можуть бути використані як покриття: Скла (сонцезахисні - добре пропускає видиме світло і відображає до 45-60% теплове випромінювання, теплозахисні - відображає до 40% сонячної радіації); Ламп (збільшення світлової віддачі на 20-30%); інструментів (захисно-зміцнюючі - збільшення терміну служби виробів). Ведуться роботи і в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна. Напрями досліджень: поверхневі явища, фазові перетворення і структура конденсованих плівок. Дослідження проводяться над плівками металів і сплавів (1.5 - 100 нм), одержувані методом конденсації у вакуумі на різних підкладках шляхом електронної мікроскопії, електронографії.

2002 Сиз Деккер поєднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наномеханізм. Фінансування NNI склало 697 млн. дол. (на 97 млн. більше плану).

2003 Професор Фенг Лью з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гіссібла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.

У грудні 2003 року Конгрес США прийняв особливий закон «Нанотехнологічні Дослідження і Розробки 21 сторіччя», яким передбачалося збільшення асигнувань на подібні проекти.

У 2000 – 2006 рр. США і Японія були світовими лідерами з обсягів інвестицій у нанотехнології, у 2007 р. до них приєдналася Росія. Нині ці країни формують понад половину світового обсягу зазначених інвестицій.

2007 Пітер Грюнберг і Альберт Ферт отримали Нобелівську премію з фізики за відкриття ефекту аномально високого магнітного опору, що дало змогу розробити технологію запису даних на жорстких дисках з атомарною щільністю інформації.

Протягом 1975 – 2008 рр. у світі зареєстровано понад 100 тисяч патентів із використання нанотехнологій.

За прогнозами спеціалістів, розвиток нанотехнологій через 10-15 років дозволить створити нову галузь економіки що дасть прибуток у 15 млрд. дол. і близько 2 млн. робочих місць.

1.2. Фізичні основи (принципи) дослідження властивостей нанооб’єктів.

Для дослідження атомної структури речовини нанофізика використовує такі методи як: скануюча зондова мікроскопія, іонно-польова, атомносилова, магнітосилова, електронносилова та електронна мікроскопії, спектроскопічні методи, нанофотоніка та молекулярна візуалізація, дифракційні методи дослідження, рентгенівська кристалографія, наногравіметрія. Розглянемо деякі з методів.

Скануюча зондова мікроскопія. Первинне значення для розуміння властивостей будь-якого об'єкту має знання його атомної структури, тому визначення поверхневих структур один з найбільш важливих розділів фізики поверхні. Останні 30 років мікроструктура поверхонь твердих тіл інтенсивно вивчалася методами дифракції і розсіяння електронних і іонних пучків, а також в електронній спектроскопії. Проте більшість цих методів спочатку розроблялися для дослідження об'ємної структури твердих тіл, тому вони не завжди годяться для здобуття інформації про структуру поверхні, тим більше на атомному рівні. Довгий час основним методом дослідження структури поверхонь служив метод дифракції повільних електронів (ДПЕ), із застосуванням якого зв'язаний істотний прогрес в розвитку науки про поверхню. Досить згадати, що за допомогою ДПЕ була відкрита атомна реконструкція поверхонь - існування особливого їх структурного стану, відмінного від об'ємного, і виявлена велика кількість специфічних фазових переходів на поверхнях, як чистих, так і покритих адсорбованими плівками. У методі ДПЕ тонкий моно-енергетичний пучок електронів низької (до десятків електрон-вольт) енергії прямує на поверхню досліджуваного кристала. Оскільки енергія падаючих електронів порівняно невелика, то вони проникають на глибину всього одного-двох атомних шарів, тому аналіз кутового розподілу дифракційних рефлексів, утворених розсіяним пучком, дає зведення про розташування атомів в поверхневому шарі. Така інформація методично пов'язана із структурою оберненої (а не прямої!) гратки і виявляється усередненою відносно великої площі поверхні кристала.

Слід зазначити, що в даний час існують прилади, що дозволяють відображувати окремі атоми: польовий іонний мікроскоп і електронний мікроскоп високого розширення, що просвічує, проте обоє вони мають істотні обмеження по застосуванні, пов'язані із специфічними вимогами до форми зразків. У першому випадку зразки повинні мати форму гострих голок з провідного матеріалу, а в другому - тонких смужок. Перші зображення атомів були отримані за допомогою польового іонного мікроскопа, винайденого Е. Мюллером в 1951 році. У цьому приладі голковий зразок, що зазвичай виготовляється з тугоплавкого металу, наприклад, вольфраму, розташовується у вакуумній камері навпроти флуоресцентного екрану. Камера заповнюється інертним газом (гелієм або аргоном) до тиску 10 - 4–10 -5 Па, і після додатку до вістря високої позитивної напруги поблизу найбільш виступаючих ділянок поверхні відбувається польова іонізація атомів газу за рахунок зондування їх електронів в зразок. Іони, що утворилися, прискорюються цим же полем і бомбардують флуоресцентний екран, відображуючи з великим збільшенням виступаючі ділянки.

Тому винахід в 1982 році Г. Біннігом и Г. Рорером скануючого тунельного мікроскопа, який не накладає обмежень на розміри зразків, реально відкрив двері в новий мікроскопічний світ.

Іонно-польова мікроскопія. Техніка, що надає дозвіл наблизитися до міжатомних відстаней, це іонно-польова мікроскопія. У іонно-польовому мікроскопі на металеву голку з гострим кінчиком, що знаходиться в камері з високим вакуумом, подається позитивний потенціал. І електричне поле і його градієнт поблизу вістря дуже великі, так що залишкові молекули газу при наближенні до нього іонізуються, передаючи електрони голці, а самі заряджають позитивно. Ці газоподібні катіони відштовхуються голкою і летять від неї уздовж ліній електростатичного поля на розміщену поблизу фотопластинку, на якій при зіткненнях створюються засвічені точки. Кожна точка на пластинці відповідає атому на кінчику зонда, так що розподіл точок на фотопластинці представляє собою в декілька разів збільшене зображення розподілу атомів на вершині голки.

Електронна мікроскопія. Електронний пучок можна використовувати не лише для здобуття кристалографічної інформації про поверхню наночастинки, але і для створення зображення поверхні. Таку роль він і грає в електронному мікроскопі.

У електронному мікроскопі, що просвічує електрони з деякого джерела, наприклад, електронної гармати, потрапляють на зразок, розсіюються при проходженні крізь нього, фокусуються об'єктивною лінзою, проходять через збільшувальну лінзу і створюють шукане зображення. Якщо присутні віддалені один від одного важкі атоми, то вони дають основний вклад в розсіяння з середнім кутом розсіяння, що виражається як середній діаметр таких атомів. Зображення формується унаслідок того, що різні атоми розсіюють і поглинають швидкі електрони з різною ефективністю.

Електрони набагато сильніше взаємодіють з речовиною чим рентгенівські промені або нейтрони з порівнянною енергією або довжиною хвилі.

Для звичайного пружного розсіяння електронів з енергією - 100 кеВ середня відстань, яку проходить електрон між двома актами розсіяння у речовині, що називається довжиною вільного пробігу, складає від декількох десятків нанометрів для легких атомів до десятків, або, можливо сотень нанометрів для важких атомів. Кращі результати електронна мікроскопія дає для плівок з товщиною, порівняною з довжиною вільного пробігу. Істотно тонші плівки розсіюють дуже мало для здобуття корисних зображень, тоді як в товщих плівках переважає багатократне розсіяння, що розмиває зображення і, як наслідок, його важко інтерпретувати.

Основна частина електронного пучка, що пройшов через зразок, складається з електронів, що взагалі не зазнали розсіяння. У цьому пучку також не розсіяні електрони, що втратили частину енергії через не пружне розсіяння без зміни напрямку польоту, і електрони, відбиті від різних кристалографічних площин. Для здобуття того, що називається зображенням на світлому полі, апертура вводиться так аби проходив лише основний не відхилений пучок. Зображення на світлому полі спостерігається на детекторі або екрані. Деталі зображення в темному полі залежать від конкретного променя вибраного для здобуття зображення.

Для збільшення кількості інформації, що отримується із знімку, і вивчення деталей, інтенсивність яких близька до шуму, можна використовувати спеціальні прийоми обробки зображень. Якщо провести обробку зображення високоефективним методом швидкого перетворення Фур'є, можна отримати інформацію, аналогічну результатові такого перетворення звичайної дифракційної картини. Окрім пройшовших наскрізь електронів в пучку присутні і електрони, що випробували в зразку не пружні зіткнення і втратили енергію, витрачену на створення збуджень в зразку. Це може відбутися при збудженні коливань атомів, що знаходилися біля траєкторії прольоту електрона, і збудження фононів,які розповсюджувалися по кристалу. Третім дуже важливим джерелом не пружного розсіяння служить генерація одноелектронних збуджень атомів. Цей процес може зачіпати внутрішні електронні оболонки атомів. Менші втрати енергії можуть статися при перекиданні електрона з валентної зони напівпровідника в зону провідності. Таке збудження може релаксувати за допомогою переходу електрона в основний стан з випусканням світла. Характеристики цього вторинного випромінювання часто можуть дати корисну інформацію про зразок. Цей тип переходів використовується в багатьох розділах електронної спектроскопії. Дану методику можна використовувати для дослідження поверхні, оскільки глибина проникнення електронів в порівнянні мала.

Спектроскопічні методи дозволяють дослідити енергетичний стан молекул, атомів або утворених ними мікроскопічних систем, а також квантові переходи між енергетичними рівнями, що дає детальне описання структури та властивостей різних нанорозмірних частинок. За діапазоном довжини електромагнітних хвиль можна виділити наступні види спектроскопії: радіоспектроскопія, ІЧ та КРспектроскопія, УФ та фотоелектронна спектроскопія, рентгенівська спектроскопія і спектроскопія гаммавипромінювання [].

ІЧ та КРспектроскопія. Коливальні переходи і відповідні спектри молекул можливо отримати як при безпосередньому поглинанні речовиною інфрачервоного випромінювання (діапазон 250 мкм), так і при поглинанні видимого та ультрафіолетового випромінювання. У зв’язку з цим коливальна спектроскопія поділяється на інфрачервону спектроскопію (ІЧ) та спектроскопію комбінованого розсіювання (КР).

Дослідження ІЧ спектрів викликає велику зацікавленість, тому що за рахунок коливань кристалічних решіток напівпровідників та міжмолекулярних коливань, можливе дослідження молекулярних оптичних квантових генераторів. Спектроскопію КР використовують для вивчення валентних та деформаційних коливань молекул, зазвичай у діапазоні від 500 до 3600 см1. Спектри КР кристалічних речовин містять лінії, що відповідають розсіюванню випромінювання на колективних збуджених станах решітки, а ІЧ спектри проявляють лінії, які відповідають коливальним переходам зі зміною дипольного моменту. Вивчення коливально обертальних та чисто обертальних спектрів методами ІЧ та КР спектроскопії дозволяє визначити структуру молекули, хімічний склад, момент інерції молекули, величину сил, що діє між ними та ін. Це все робить можливим детально дослідити напівпровідникові та металічні вуглеводні нанотрубки, нановолокна і нанокомпозити на їх основі [].

Мікрохвильова спектроскопія досліджує перехід між коливальними рівнями, обумовленими інверсіями або обертальними рухами в молекулах з постійним дипольним моментом, пов’язаним із взаємодією квадрупольних моментів ядер з неоднорідними молекулярними енергетичними полями. Резонансне поглинання коливається у межах 1010 — 1011 Гц. Дана методика дозволяє чітко дослідити конфігурацію молекули, довжину зв’язків та кути між ними. Таким чином, можна побачити оболонки нанокластерів і "coreshell" наноструктур [].

Радіоспектроскопія. Радіоспектроскопічні дослідження будови речовини та процесів, що в них протікають, базуються на резонансному поглинанні радіохвиль довжиною >500 мкм та частотою < 1013 Гц. Радіоспектроскопія відрізняється тим, що дозволяє дослідити тонкі взаємодії в речовині, які викликають малі роз’єднання енергетичних рівнів. Виділяють декілька типів радіоспектроскопії:

Спектроскопія випромінювання. Гамма-спектроскопія розділ фізики атомного ядра, присвячений дослідженням енергетичних гамма спектрів у випромінення, залежностей кількості квантів від її енергії, звільнених атомними ядрами під час розпадів та реакцій. Успектроскопію виконують на Успектроскопах. Вона вміщує в собі дослідження всіх характеристик випромінювання, звільнених не тільки ядрами, але й атомами. До таких характеристик звільнених квантів, окрім їх енергії, відносять час їх звільнення, момент кількості руху, залежність вірогідності звільнення від кута виходу кванту та інше. Оскільки кванти, звільнені атомними ядрами або іншими структурами, виникають під час переходу зі стану з великою енергією у стан із меншою енергією, то за лініями в спектрах квантів можна встановити схеми енергетичних рівнів ядер. За шириною цих ліній також можна встановити тривалість життя та вірогідність їх розпаду. Знання вірогідності виходу квантів під різними кутами, дозволяє знайти їх мультиполярність та тип (електричний або магнітний) і визначити обертальність та парність ядерних рівнів, що беруть участь у переході. Крім того, за характеристиками переходів можливо визначити електричні квадрупольні та магнітні квадрупольні моменти ядер, тобто, розподіл зарядів і струмів в ядрах у різних станах. Одним з найбільш інформативних методів ядерної Успектроскопії є метод кутових кореляцій квантів і ядерна резонансна флюоресценція. У першому з них вивчається кореляція між кутом виходу послідовно звільнених ядром квантів, у другому ядро резонансно поглинає зовнішній квант відомої енергії та досліджується енергетичний спектр вторинних квантів, звільнених цим ядром. Успектроскопія є одним з найбільш точних методів визначення характеристик мікрооб’єктів, перш за все атомних ядер, так як за звільнення квантів відповідає електромагнітна взаємодія. Тому інтерпретація експериментальних даних, отриманих методом Успектроскопії, є найбільш простою та однозначною [].

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) резонансне поглинання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з нульовим спіном у зовнішньому магнітному полі, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. Це явище було відкрито в 19451946 роках вченими Феліксом Блохом та Эдвардом Міллсом Перселлом, за що в 1952 році вони отримали Нобелівську премію. Даний метод стає особливо важливим, коли досліджувана речовина знаходиться у розчині і її неможливо кристалізувати. Ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядер. Ядра, які мають відмінний від нуля спін I, мають також пропорційний до нього магнітний момент. Таким чином, ЯМР надає унікальну інформацію про структуру досліджуваної речовини, розрізняючи іони, що входять у решітку, від мікровключень. При цьому досліджують іонні координати, ступінь іонності зв’язків, локальну симетрію та ін., що дає змогу глибоко оцінити характеристики наноструктур, особливо нанокомпозитних матеріалів [].