Краткое содержание курса лекций,

форма промежуточной аттестации по дисциплине 

Занятия лекционного  типа, ак. час

(1 лекция = 2 ак.часа)

Классификация экспериментальных методов исследования веществ и материалов. Аналитические характеристики методов (обзорная лекция) (Неудачина В.С.)

Общая классификация методов исследования веществ и материалов: микроскопические, спектроскопические и дифракционные методы. Понятие пространственного и спектрального разрешения. Ключевые характеристики методов: глубина и локальность анализа, чувствительность методов, неразрушающие и разрушающие методики. Обзор информативности наиболее распространенных методов исследования.

2

Микроскопические методы исследования  (Гулин А.А., Осыченко А.А., Сарвадий С.Ю.)

Лекция 1. Методы электронной микроскопии. (Гулин А.А.)

Дифракционный предел Аббе. Сравнение оптической микроскопии, СЭМ и ПЭМ. Особенности формирования контраста во вторичных электронах. Влияние параметров на формирование изображения.  Вторичные и обратноотраженные электроны. Энергодисперсионная спектроскопия и элементный анализ.

Лекция 2. Методы оптической микроскопии сверхвысокого разрешения (Гулин А.А.)

Дифракционный предел Аббе. Дальнопольная и ближнепольная микроскопии. Микроскопия структурированного излучения. Флуорофоры и их особенности, метод STED, стохастические методы.

Лекция 3. Нанохирургия и современные исследования на клеточном уровне (Осыченко А.А.)

Взаимодействие высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с биоматериалом живой клетки: исследование механизма и возможностей практического применения. Механизм нелинейно-оптического поглощения излучения ближнего инфракрасного диапазона биоматериалом как основа нанохирургии. Управление биологическим откликом за счет управления параметрами фемтосекундного импульса. Применение фемтосекундной лазерной нанохирургии для биомедицинских задач: энуклеация (разрушение ДНК); слияние клеток; создание трекинг-частиц. 

Лекция 4. Методы зондовой микроскопии в химической физике поверхности. (Сарвадий С.Ю.) Зондовые методы. Атомно-силовая микроскопия. История катализа. Берцеллиус, Дёберайнер, Гёте, Габер, Митташ, Ленгмюр. Взаимодействие частиц и полей с поверхностью. Методы исследования. Статистика. Семейство зондовых методов. Ионный проектор (ИП). Первые изображения атомов в ИП. Принцип работы и ограничения метода ИП. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Принцип работы ПЭМ. Потенциальные возможности ПЭМ. Как выглядит прибор. Примеры изображений. Демонстрационный фильм. Атомно-силовая микроскопия (АСМ). Принцип работы. Регистрация изгиба консоли. Взаимодействие зонда с поверхностью. Собственная частота колебания консоли. Режимы получения изображений в АСМ. Контактный режим. Примеры изображений. Колебания зонда АСМ. Бесконтактный и полуконтактный режимы работы. Демонстрационный фильм. Режим фазового контраста. Новые разновидности АСМ. Магнитно-силовая микроскопия. Электросиловая микроскопия. Примеры изображений. Визуализация реакций методом АСМ.

Лекция 5. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия (Сарвадий С.Ю.) 

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). Принцип получения изображения. Первые изображения поверхности. Туннельный эффект. Вероятность прохождения электрона через барьер. Режимы работы СТМ. Режим постоянной высоты. Режим постоянного тока. Формирование изображения. Экспериментальная установка. Устройство сканирующей головки СТМ. Методы изготовления зондов. Перемещение отдельных атомов. Что исследуют с помощью СТМ? Атомная решетка поверхности. Динамические процессы. Островковый рост. Наноструктурированные покрытия. Локальная модификация поверхности. Электронные эффекты. Муаровая сверхрешетка. Диссоциация молекул. Сканирующая туннельная спектроскопия (СТС). Туннельный контакт металл-металл. Туннельный контакт металл-полупроводник. Ширина запрещенной зоны. Форма кривой туннельного тока. Демонстрационный фильм. Идентификация отдельных наночастиц в бикомпонентных покрытиях. Янус-структуры и мозаичные частицы. Локальность адсорбционных процессов. Восстановление наночастиц - наблюдаем in situ. Идентификация отдельных молекул. Неупругие туннельные переходы. Электронно-колебательная спектроскопия единичных молекул. Молекулы H2O и NH3 на поверхности наночастиц. Дефекты и электронные ловушки. Спин-поляризованная туннельная спектроскопия.

Лекция 6. Теоретический аппарат туннельной спектроскопии  (Сарвадий С.Ю.) 

Теоретический аппарат СТС. Перекрывание волновых функций. Общий вид кривой туннельного тока. Неупругие процессы. Устойчивость туннельного спектра. Задача с двумя барьерами. Кинетические уравнения заселенности электронного уровня адсорбата. Амплитуды туннельных переходов. Краевые особенности в барьере. Одноэлектронная функция Грина. Приближенное решение. Численные оценки. Поверхностные электронные состояния. Характерный вид электронно-колебательного туннельного спектра. Реальный спектр системы H2O/AuH/Au. Моделирование сложного спектра.

Лекция 7. Занимательная микроскопия. Достижения ФИЦ ХФ РАН  (Сарвадий С.Ю.)

1. Оценка коэффициентов объемной диффузии кислорода в TiOx системах. По материалам статьи: Sarvadii S.Y., Gatin A.K., Kharitonov V.A., Dokhlikova N.V., Ozerin S.A., Grishin M.V., Shub B.R. Oxidation of Thin Titanium Films: Determination of the Chemical Composition of the Oxide and the Oxygen Diffusion Factor // Crystals. — 2020. — V. 10. — 117: 1–12. DOI: 10.3390/cryst10020117

2. Ориентация молекул СО в поле СТМ при восстановлении наночастиц CuOx. По материалам статьи: Sarvadii S.Y., Gatin A.K., Kharitonov V.A., Dokhlikova N.V., Ozerin S.A., Grishin M.V., Shub B.R. Effect of CO Molecule Orientation on the Reduction of Cu-Based Nanoparticles // Nanomaterials. — 2021. — V. 11. — 279: 1–10. DOI: 10.3390/nano11020279

3. Исследование электронной структуры композитных наночастиц AuH/Au. По материалам статьи: Sarvadii S.Y., Gatin A.K., Dokhlikova N.V., Kharitonov V.A., Ozerin S.A., Doronin S.V., Grishin M.V., Shub B.R. Hydrogenation of HOPG-Supported Gold Nanoparticles: Surface or Volume? // Crystals. — 2021. — V. 11. — 597: 1–11. DOI: 10.3390/cryst11060597

4. Влияние деформации решетки наночастицы никеля на ее окисление в N2O. По материалам статьи: Sarvadii S.Y., Gatin A.K., Dokhlikova N.V., Ozerin S.A., Kharitonov V.A., Tastaibek D., Slutskii V.G., Grishin M.V. Oxidation of Supported Nickel Nanoparticles: Effect of Ni Lattice Compression Along the HOPG-Ni Interface // Nanomaterials. — 2025. (unpublished).

5. Влияние электронных и структурных факторов на локальные адсорбционные свойства наночастиц Au, Ni, Pt. По материалам статьи: Gatin A.K., Sarvadii S.Y., Dokhlikova N.V., Ozerin S.A., Kharitonov V.A., Baimukhambetova D., Grishin M.V. Less and Less Noble: Local Adsorption Properties of Supported Au, Ni, and Pt Nanoparticles // Nanomaterials. — 2023. — V. 13. — 1365: 1–17. DOI: 10.3390/nano13081365

14 

Современные спектроскопические методы исследования (Айбуш А.В., Гулин А.А., Надточенко В.А., Неудачина В.С., Чумакова Н.А.)

Лекции 1-4. Методы ИК- и Рамановской спектроскопии, оптическое рассеяние (Айбуш А.В.)

Лекция 1. Основы лазерной спектроскопии и микроскопии. Лекция посвящена истории возникновения и физическим принципам на которых основана лазерная спектроскопия и микроскопия.  Интерференция и дифракция электромагнитных волн.  Пространственная и временная когерентность излучения. Типы поляризации электромагнитных волн, используемых в современных методиках исследования. Корпускулярно-волновой дуализм и фундаментальные процессы: поглощение, спонтанное и стимулированное излучение. Характеристики импульсного (в т.ч. фемтосекундного) лазерного излучения. 

Лекция 2. Основы ИК спектроскопии. Лекция посвящена истории возникновения и современному состоянию спектроскопии ИК диапазона. Основные принципы ИК спектроскопии. Релевантные диапазоны волновых чисел для разных классов химических соединений. Устройство современного ИК спектрометра.

Лекция 3. Основы спектроскопии комбинационного (рамановского) рассеяния. Лекция посвящена истории возникновения и современному состоянию спектроскопии спонтанного комбинационного (рамановского)  рассеяния. Основные принципы рамановской спектроскопии. Релевантные диапазоны волновых чисел для разных классов химических соединений. Устройство современного рамановского спектрометра-микроскопа. Подходы наноплазмоники для усиления сигнала рамановского рассеяния.

Лекция 4. Основы лазерной нелинейной колебательной спектроскопии. Лекция посвящена истории возникновения и современному состоянию нелинейной рамановской спектроскопии. Колебательная спектроскопия вынужденного лазерного излучения (ВКР)  и когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС).  Основные преимущества и недостатки пикосекундной и фемтосекундной колебательной спектроскопии. Основные принципы и  аппаратура современного нелинейного рамановского микроскопа.  

Лекция 5. Методы электронной спектроскопии (ОЭС, РФЭС, УФЭС) (Неудачина В.С.)

Физические основы методов электронной спектроскопии: остовные и валентные уровни, представление о зонной структуре твердых тел, фотоэффект, кинетическая энергия и энергия связи электронов. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС). Определение состава поверхности и зарядовых состояний атомов. Оже-электронная спектроскопия (ОЭС), аналитические параметры и современные применения. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС), определение плотности состояний в валентной зоне. Спектроскопия характеристический потерь энергии электронов (СХПЭЭ/ЕЕLS). Сравнение характеристик различных методов электронной спектроскопии.  

Лекция 6. Методы рентгеновской спектроскопии (РФлА, ЭДС, ВДС) (Неудачина В.С.)

Физические основы методов рентгеновской спектроскопии. Рентгеноспектральный микроанализ (энергодисперсионная, волнодисперсионная спектроскопия), методы регистрации спектров, пространственное разрешение. Возможности и ограничения при определении состава веществ.

Лекция 7. Методы масс-спектрометрии (Гулин А.А.). Физические основы систем ионизации в газовой, жидкой и твердой фазе.  Непрерывные и импульсные масс-анализаторы. Масс-спектральный имиджинг (химическое картирование), создание 3D карт.  Методы MALDI и SIMS. Некоторые аспекты пробоподготовки образцов. 

Лекция 8. Фемтосекундная лазерная спектроскопия. (Надточенко В.А.)

Лекция посвящена обсуждению методов исследования быстропротекающих процессов методами фемтосекундной лазерной спектроскопии на примере безизлучательного переноса энергии и первичных процессов разделения заряда в реакционных центрах природного фотосинтеза.

Лекция 9. Основы электронного парамагнитного резонанса (Чумакова Н.А.)

Квантованность углового момента количества движения элементарной частицы. Орбитальный и спиновый магнетизм электрона. Взаимодействие магнитного момента электрона с постоянным магнитным полем. Зеемановские уровни энергии. Электронный парамагнитный резонанс. Равновесная и неравновесная заселенность Зеемановских термов. Высокочастотная модуляция постоянного магнитного поля. Спектр ЭПР – первая производная спектра поглощения системой микроволнового излучения.

Лекция 10. Основы электронного парамагнитного резонанса (Чумакова Н.А.)

Устройство ЭПР спектрометра. Диапазоны спектроскопии ЭПР. Достоинства и недостатки W, Q, X и L спектрометров. Температурная зависимость сигналов ЭПР, закон Кюри. Мощностная зависимость сигналов ЭПР, явление насыщения. Зависимость формы спектра от амплитуды модуляции постоянного магнитного поля спектрометра. Тонкое (электрон-электронное) и сверхтонкое (электрон-ядерное) взаимодействие. Сверхтонкая структура спектров ЭПР.

Лекция 11. Основы электронного парамагнитного резонанса (Чумакова Н.А.)

Пространственная анизотропия магнитных взаимодействий. g- и СТВ-тензоры. Проявление анизотропии магнитных параметров в форме спектров ЭПР. Зависимость формы спектра от вращательной подвижности и ориентационной упорядоченности парамагнитных молекул. Коэффициент вращательной диффузии, время вращательной корреляции, ориентационная функция распределения молекул в образце. Причины уширения линий в спектрах ЭПР. Диполь-дипольное взаимодействие радикалов и Гейзенберговский спиновый обмен.

Лекция 12. Основы электронного парамагнитного резонанса (Чумакова Н.А.)

Системы со спином больше ½. Бирадикалы и комплексы переходных металлов. рН-чувствительные спиновые зонды. ЭПР-томография. Методы квантовой химии для интерпретации спектров ЭПР.

24

Синхротронное излучение и его использование для исследования веществ и материалов (Неудачина В.С.)

Лекция 1. Свойства и характеристики синхротронного излучения (СИ). принципы получения, источники СИ: накопительные кольца и лазер на свободных электронах. Характеристики источников СИ и их прогресс (увеличение яркости источников, степени монохроматизации, управление поляризацией, временное разрешение). Обзор мировых и российских центров синхротронного излучения. Классификация рентгеновских методов диагностики, использующих СИ. Особенности и преимущества использования синхротронных источников. 

Лекция 2. Обзор основных методик, использующих синхротронное излучение: спектроскопические, дифракционные, микроскопические и томографические методы

4

Экспериментальные и вычислительные методы исследования процессов горения и детонации (Иванов В.С.)

Лекция 1: Методы математического моделирования процессов горения и детонации газов и гетерогенных смесей. Основы моделирования газодинамических процессов. Моделирование динамики течения многофазных систем. Моделирование процессов горения и детонации горючих систем. Примеры задач математического моделирования установок

Лекция 2: Методы экспериментального исследования процессов горения. Методы экспериментального исследования процессов детонации

4

Методы молекулярного моделирования.  (Клинов А.П.)

Лекция 1. Понятие о полноатомном силовом поле. Вид потенциальной энергии молекулярной системы в классическом приближении. Компоненты потенциальной энергии - энергия валентных связей, валентных углов, двугранных углов, плоских групп, энергия парных кулоновских и вандерваальсовых взаимодействий. Параметризация силовых полей. Проблема создания новых силовых полей для биомолекулярных систем. Силовые поля, учитывающие электронную поляризацию.

Лекция 2. Суть метода молекулярной динамики. Постановка численной задачи - выбор начальных и граничных условий, схемы интегрирования и шага интегрирования. Алгоритмы учета парных взаимодействий - списки соседей (списки Верле и пространственные списки), суммирование по Эвальду. Алгоритмы для интегрирования движения атомов водорода. Моделирование в ансамблях при постоянной температуре и давлении. Описание протокола молекулярной динамики.

Лекция 3. Огрубленные методы молекулярной динамики. Модель объединенных атомов. Крупнозернистые (КЗ) модели - проблема выбора зерен и КЗ потенциала. Примеры КЗ моделей для моделирования молекул ДНК. Ланжевеновская и броуновская динамика. Примеры применения для моделирования образования столкновительного комплекса белков и оценки константы ассоциации. Учет гидродинамических взаимодействий. Метод диссипативной динамики частиц.

6

Лекция 1. Физические основы хроматографии. (Горшков А.В.)

Основы адсорбции: изотерма адсорбции, энергия адсорбции, коэффициент распределения Kd. Модель разделения: скорость миграции зоны вещества, время удерживания tR, коэффициент емкости k, число теоретических тарелок N. Размытие хроматографической зоны: статистическое, диффузионное. Уравнение van Deemter и оптимальная скорость, разрешение R. Градиенты температуры или состава растворителя. Принципы идентификации веществ.

Групповые консультации. Презентация научного доклада. Публикация статей в научных журналах. (Трайтак С.Д.)

4

Групповые консультации. Подготовка кандидатской диссертации. (Сарвадий С.Ю.)

2

Промежуточная аттестация: кандидатский минимум по специальности