МГУ–2013: Факультет фундаментальной физико-химической инженерии
Новое в структуре. Созданы: базовая кафедра инженерной физики твёрдого тела (и.о. чл.-корр. РАН В.Д. Кулаковский, на базе Института физики твёрдого тела РАН; приказ №745, 17.09.2013) и базовая кафедра инженерной химической физики (и.о. чл.-корр. РАН В.Б. Минцев, на базе Института проблем химической физики РАН; приказ №746, 17.09.2013).
Наука. К приоритетным направлениям научной работы относятся: физика твердотельных наноструктур; энергоресурсосбережение и энергоэффективные технологии; повышение эффективности комплексного использования природных топлив; физическое материаловедение и новые материалы; теория химического строения и химической связи, кинетика и механизмы химических реакций, реакционная способность химических соединений, стереохимия, кристаллохимия; синтез и изучение новых веществ, разработка материалов и наноматериалов с заданными свойствами и функциями (полимеров и полимерных материалов, композитов, сплавов, керамик, продуктов биологического и медицинского назначения, оптических, сверхпроводящих, магнитных материалов и особо чистых веществ); химическая аналитика: создание методов и средств определения и контроля веществ в окружающей среде, разработка новых методов и средств химического анализа веществ и материалов; химия и физикохимия твёрдого тела, расплавов и растворов, химические процессы в веществах, находящихся в экстремальных состояниях или подвергнутых экстремальным воздействиям, процессы горения; химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии; инженерное материаловедение.
В 2013 г. начато выполнение финального этапа научно-исследовательской работы по мегагранту Правительства РФ (договор с Министерством образования и науки РФ от 19.10.2011), направленному на использование супрамолекулярного принципа для разработки новых функциональных полимерных материалов по двум актуальным направлениям:
– мембраны с высокими ионселективными качествами, изготовленные направленной самоорганизацией, в которых ионные каналы сформированы надмолекулярными комплексами;
– высокоупорядоченные практически бездефектные плёнки органических полупроводников для создания полевых транзисторов (Organic Field Effect Transistors).
Выполнено всё запланированное:
– исследована стабильность тонких плёнок для новых олиготиофеновых архитектур;
– изготовлены экспериментальные образцы ориентированных плёнок новых олиготиофенов и изучены их структуры;
– синтезированы и охарактеризованы новые экспериментальные образцы звездообразных четырёхфункциональных тиофенсиланов;
– разработана и реализована в лабораторных условиях методика, предназначенная для in situ измерений подвижности зарядов;
– исследованы электрические свойства тонких плёнок, установлены корреляции между морфологией и эффективностью при использовании в качестве активных слоёв в органических полевых транзисторах;
– разработаны методики параллельного измерения электрических свойств и определения структуры, идентифицированы механизмы течения носителей заряда, установлена роль нанокристаллитов и аморфной матрицы в этих процессах;
– разработаны требования к молекулярной архитектуре и процессам плёнкообразования с целью достижения наиболее высокой подвижности носителей заряда и оптимизации управления органическими полевыми транзисторами;
– исследована структура экспериментальных образцов ионселективных мембран методами рентгеновского рассеяния в малых углах в режиме на просвет и со скользящим пучком, а также с помощью сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения и просвечивающей электронной микроскопии.
Сотрудники также проводили исследования в рамках:
– государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ по темам
а) «Гидрофилизация поверхностей волокон сверхвысокомолекулярного полипропилена с помощью наноразмерных функциональных добавок, сформированных in situ в полимерной матрице»;
б) «Исследование формирования структуры и текстуры мембран с высокими ионселективными качествами на основе надмолекулярных комплексов и высокоупорядоченных бездефектных пленок органических полупроводников с помощью уникального комплекса для рентгеноструктурного анализа in situ одновременно в больших и малых углах дифракции».
– договора с РФФИ по теме «Создание новых функциональных материалов, полученных при помощи самоорганизации ковалентных и супрамолекулярных полимеров в условиях геометрических ограничений на наношкале».
Среди наиболее значимых научных результатов, полученных в рамках тем «Энергоэффективность, наноматериалы и бионаносистемы» (ПНР 5) и «Рациональное природопользование и устойчивое развитие регионов России» (ПНР 6) необходимо отметить следующие.
Разработан новый метод создания наноструктурированных функциональных материалов, основанный на самосборке клинообразных амфифильных молекул. Выяснено, что фазовое разделение между полярными и неполярными областями в системе смеси с водой специально созданных амфифильных органических молекул, имеющих секторообразную форму и способных к образованию сложных трёхмерных структур, приводит к созданию сети наноразмерных ионных каналов, сформированных сульфоновыми группами, расположенными на вершине молекулярного клина. Последующая фотополимеризация стабилизирует образованную структуру и создаёт наноструктурированный полимерный материал, имеющий перспективы использования в области мембранных технологий.
Разработано и создано уникальное оборудование для комплексного исследования структуры и теплофизических свойств наноматериалов, основным элементом которого является нанокалориметр – прибор, позволяющий проводить измерения теплофизических свойств сверхмалых количеств исследуемых образцов (от единиц нанограммов до сотен и даже до десятков пикограммов) со скоростями нагрева и охлаждения до ~105 К/сек. Единственный аналог, представленный на мировом рынке – «Flash DSC», производимый швейцарской фирмой Mettler-Toledo – уступает нанокалориметру по ряду принципиальных технических показателей. За разработку и успешную реализацию данного комплекса оборудования авторскому коллективу (рук. лаб. Д.А.Иванов) присуждена премия Правительства РФ 2013 г.
Энергия химических связей представляет собой важную молекулярную константу, одну из главных характеристик молекулы. Особенно большое значение энергии связей имеют в термодинамике и в кинетике химических реакций. По данным магнитных измерений определена энергия образования С-С и Со-С связей в отрицательно-заряженных димерах фуллерена (С60-)2 и координационных частицах {CoIIOEP·(С60-)}.
Композиционные материалы керамика-углерод, в которых в качестве керамической матрицы выступают оксиды редкоземельных металлов, представляют значительный интерес для исследователей, причём добавка протяжённых углеродных наноструктур (например, нанотрубок или нановолокон) способна придать материалу матрицы новые функциональные свойства. Добавка всего трёх массовых процентов углеродных нанотрубок на несколько порядков увеличивает электропроводность композитов на основе оксида титана. Исследована зависимость удельной электропроводности порошковых композитов оксида церия с углеродными нановолокнами от массового содержания углеродного компонента. Также были решены задачи характеризации морфологии, фазового состава, кристаллической структуры компонентов исследуемого композита.
MQ смолы представляют собой сополимер, состоящий из кластеров силикатных Q групп, окружённых монофункциональными триметилсилоксановыми группами M, и могут служить модельной системой для изучения динамики разветвлённых макромолекул в растворах. Изучение трансляционной подвижности имеет фундаментальное значение для понимания динамики растворов макромолекул. Изучена трансляционная подвижность MQ смол c различными терминальными M группами (винильными и метильными) в растворах, а также молекул самого растворителя в широком диапазоне концентраций методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля на ядрах водорода. Определены гидродинамические радиусы, а также возможные проявления ассоциации макромолекул при высоких концентрациях MQ сополимера в растворе.
В настоящее время синтезировано огромное число изоспецифических предшественников катализаторов C2-симметрии с различными лигандами, в т.ч. гетероциклами. Установлено влияние заместителей на активность катализатора и свойства получающегося полимера. Стереоселективность при полимеризации пропилена определяется строением металлоценового комплекса. Введение алкильных заместителей в 2 – положение инденильной системы увеличивает стерео- и региоселективность катализатора, а также молекулярную массу формирующегося полипропилена. Совместное замещение в 2,4-положения дает наиболее стереоселективные катализаторы с очень высокой активностью. Получен новый предшественник катализатора ansa-Me2Si-(2Me-4-p-Tol-cyclopenta[b]indol-3-yl)2ZrCl2, изучены особенности его строения и физико-химические свойства.
Описаны способы приготовления автоэлектронных источников зарядов из углеродных нанотрубок, которые можно использовать для изучения свойств инжектированных зарядов в криогенных жидкостях и кристаллах (площадь источника порядка нескольких мм2, рассеиваемая мощность – менее 10–6 Вт).
Описано устройство деформации, позволяющее производить изгиб монокристаллических образцов для исследования искажений кристаллической решётки на рентгеновских топограммах.
Проведены измерения спектров отражения холестерического фотонного кристалла. Выяснено, что экспериментальные спектры описываются теоретическим выражением, следующим из аналитического решения уравнений Максвелла. Определена ширина фотонной запрещённой зоны. Показано, что ширина фотонной запрещённой зоны скачкообразно изменяется при изменении положения дифракционной полосы. Установлено, что температурная зависимость относительной ширины запрещённой зоны и параметра порядка фотонного кристалла описываются теорией Ландау фазовых переходов.
Методом декорирования исследована вихревая структура в монокристаллах железосодержащих сверхпроводников Ba(FeAs)2, легированных фосфором. В данных кристаллах были обнаружены крупные домены треугольной вихревой решётки. Обсуждается влияние допирования на пиннинг в монокристаллах железосодержащих сверхпроводников.
Методом декорирования исследована вихревая структура в монокристаллах FeTe0.66Se0.44 с Tc ~ 11.7 K и FeTe0.6Se0.4 с Tс ~ 14.5 K. Обнаружено, что в простейших с точки зрения кристаллической структуры монокристаллах семейства 11 железосодержащих сверхпроводников (без промежуточных слоёв), как и в ранее исследованных семействах 122 и 1111, не наблюдается регулярная вихревая решётка. Методом просвечивающей электронной микроскопии наблюдалась дислокационная структура с плотностью ~ 109 см–2. Обсуждается проблема пиннинга в монокристаллах железосодержащих сверхпроводников.
Получены H-T фазовые диаграммы монокристаллов электронного типа K0.83Fe1.83Se2 (KFS1), K0.8Fe2Se2 (KFS2) и дырочного типа Eu0.5K0.5Fe2As2 (EKFA) в импульсном магнитном поле до 57 T для Hc и Hab направлений. Температурная зависимость величины верхнего критического магнитного поля Hc2(T) в EFKA объясняется моделью Паули с учётом анизотропии парамагнетизма Паули (mbHp = 114 T для Hab и 86 T для Hc). То же и в случае с KFS1 и KFS2 для Hab, в то время как значительное увеличение кривизны зависимости Hc2(T), согласующееся с двухщелевой моделью, наблюдается для ориентации Hc. Несмотря на наличие антиферромагнитного порядка решётки в сверхпроводящем состоянии в исследуемых соединениях влияние магнитного упорядочения на температурную зависимость величины Hc2(T) не наблюдается.
Изучено электрическое взаимодействие и упорядочение биополимеров и наночастиц в водных взвесях. Методами оптической микроскопии было найдено регулярное упорядочение в смесях биополимеров (хитозан и коллаген) и наночастиц в водных взвесях, которое возникало либо под действием внешнего электрического поля с малой напряжённостью (200–1000 В/см), либо самопроизвольно. Одновременно с упорядочением наблюдалось вытеснение водяных капель, смешанных с наночастицами, к внешним зонам. Это явление было объяснено взаимодействием заряженных биополимеров и наночастиц с внешними и внутренними электрическими полями, а также с окружающими нанообъекты в воде, обладающей аномально высокой диэлектрической проницаемостью, зонами пониженной диэлектрической проницаемости.
На базовой кафедре инженерной химической физики (зав. чл.-корр. РАН В.Б. Минцев) разрабатывались темы:
Влияние CO2 на температуру и состав продуктов фильтрационного горения углерода;
Влияние малых добавок диэтилентриамина на кинетику разложения нитрометана в детонационных волнах;
Влияние материала подложки на характер упорядочения молекул в тонких плёнках индиго;
Влияние нанопорошков SiO2 на проводимость полимерных гель-электролитов;
Влияние размера наночастиц платины на кинетику окисления водорода /восстановления кислорода;
Водные растворы солей хрома и их применение в синтезе алюмохромового катализатора;
Изотопные эффекты магния и цинка в бионеорганической химии;
Изучение количественной связи структура-нейротоксичность органических растворителей;
Изучение реакции восстановления биядерного нитридного комплекса K3Ru2[NCl8]•2H2O;
Исследование кремния в качестве анода и мембраны Nafion в качестве электролита в литий-ионных аккумуляторах;
Исследование нанопористых материалов методом ЯМР;
Исследование редокс-активности нейтральных нитрозильных комплексов железа с меркаптобензотиазолилом-2, меркаптопиримидинилом-2 и 3-нитрофенилом в апротонных растворителях методом циклической вольтамперометрии;
Квантово-химическое изучение обменных взаимодействий во фрагментах магнитной подрешётки бифункциональных материалов с использованием метода функционала плотности;
Кислотно-основные и фотохимические свойства нафтол-стирилхинолиновой диады;
Масс-изотопные и магнитно-изотопные эффекты в неорганической химии;
Особенности структурообразования флюоритоподобных наноструктурированных Er2+xTiO5+1.5x (0£x£1);
Получение катализаторов карбонилирования метанола NiCl2-CuCl2/C;
Получение наночастиц оксида цинка в волне фильтрационного горения;
Получение фуллерен-C60-фосфоновой кислоты;
Получение электрокатализаторов на основе оксида олова, легированного сурьмой;
Расчёт размера наночастиц замещённых фуллеренов в растворе в рамках модели Стокса-Эйнштейна;
Синтез 25,26,27,28-тетрагидрокси-5,11,17,23-тетрафосфонокаликс[4]арена;
Синтез 37,38,39,40,41,42-гексагидрокси-5,11,17,23,29,35-гексасульфокаликс[6]арена;
Синтез берлинской лазури и электроактивных композитных материалов берлинская лазурь/полипиррол;
Синтез биядерного оксосульфатного комплекса рутения Li4[Ru2(m-O)2(m-SO4)2(SO4)2]*H2O;
Синтез галогенидов фуллеренов и исследование их реакционной способности по отношению к P(OEt)3;
Синтез гексакис(триметилсилокси)дисилоксана и исследование его структуры;
Синтез дихлордицианопиразина и получение на его основе октахлортетрапиразинопорфиразина железа(II);
Синтез дихроичных кристаллов на основе соединений кобальта;
Синтез и использование медь-цианидных комплексных электролитов CtnCu(I)m(CN)k, где: Ct NBu4+ и K+, для электрокристаллизации монокристаллов «спиновой жидкости» Et2Cu2(CN)3;
Синтез и исследование гидратов вольфрамобората калия;
Синтез и исследование новых катион-радикальных солей тетратиафульваленов – этилендитиотетратиафульвалена и бис(этилендитио)тетратиафульвалена с металлокомплексными анионами;
Синтез и исследование свойств тонких плёнок Cd1-xMgxTe;
Синтез и исследование свойств тонких плёнок Cd1-xZnxS методом напыления прекурсоров с последующей сульфуризацией (PVD);
Синтез и исследование твёрдых растворов в системе Ti1-xNbxO2;
Синтез и исследование электропроводности сложных оксидов Pr3-xSrxCu2O6+d (x = 0.9, 1.0, 1.1, 1.2);
Синтез композитов на основе восстановления оксида графита и NiO;
Синтез металлокомплексов Re (IV): K2ReCl6, (NBu4)2ReCl6, (AsPh4)2[ReCl4(C2O4)], cis-(AsPh4)2[ReCl2(C2O4)2];
Синтез новых фотоактивных производных 2-стирилхинолина и 6-гидрокси-2-нафтойной кислоты;
Синтез ультрадисперсного оксида самария как компонента углерод-керамических композитов;
Создание композиционного материала на основе оксида графита и политетрафторэтилена с использованием радиационного (гамма) и микроволнового излучений;
Спектроскопическое исследование взаимодействия тионитрозильного комплекса железа с этено-аденозинтрифосфорной кислотой;
Характеризация и измерение удельной электропроводности порошка оксида лантана как компонента композитов оксид металла – углерод.
На базовой кафедре инженерной физики твёрдого тела (зав. чл.-корр. РАН В.Д. Кулаковский) разрабатывались темы:
Визуализация доменной структуры в ультратонкой плёнке кобальта;
Визуализация магнитной доменной структуры и её преобразований;
Измерение эффективной массы двумерных электронов в гетеропереходах ZnO/MgZnO из магнитодисперсии гибридных магнитоплазменных возбуждений;
Изучение туннельных джозефсоновских контактов;
Изучение электрохимических характеристик композитных Ni-YSZ электродов на симметричных ячейках ТОТЭ;
Исследование 0-пи контактов Nb-CuNi-Nb;
Исследование дислокаций структуры монокристаллов кремния методом Ланга;
Исследование оптических свойств жидкокристаллических фотонных кристаллов;
Исследование синтеза наночастиц ПММА методом эмульсионной полимеризации;
Исследование структуры металлического стекла Fe90Sc10;
Исследование структуры наностёкол на основе сплава Fe90Sc10;
Исследование частоты плазменного резонанса в наноструктурированных подложках, используемых для гигантского усиления рамановского рассеяния;
К вопросу о высокотемпературной сверхпроводимости в халькогенидах железа Rb0.8Fe2Se2 и K0.8Fe2Se2: исследование температурной зависимости удельного сопротивления и глубины проникновения магнитного поля;
Калибровка скорости ионного травления при послойном анализе;
Методика обработки результатов измерений фотонных корреляций, вычисление корреляционной функции 2-го порядка;
Моделирование начальной стадии формирования двойниковой границы в наноостровках свинца;
Низкотемпературная ячейка для исследования особенностей движения инжектированных зарядов в твёрдом гелии;
Оптические исследования доменной структуры в нематическом жидком кристалле в электрическом поле;
Особенности рассеяния рентгеновских лучей кристаллическими частицами с размерами в области от нанометров до микрон: влияние межкристаллитных границ на образование новых структурных состояний в простых оксидах редкоземельных металлов;
Получение инвертированных опалов на основе полимерной матрицы;
Получение натрий-кремниевых клатратных структур;
Расчёт кристаллической и электронной структуры тонкой плёнки свинца в приближении DFT;
Расчёт параметров газовых потоков в токовых коллекторах твердооксидных топливных элементов планарной конструкции методом конечных элементов;
Рентгеноструктурный анализ нанопорошка BaTiO3;
РФЭС высокоомных образцов: исследование влияния зарядки;
Свойства жидких электролитов в энергетическом представлении на примере чистой воды;
Защитные слои для твердооксидных топливных элементов: синтез Ce1-xLa0.4PrxO2-d (x=0, 0.1, 0.2) и Ce0.5La0.4Pr0.1O2-d золь-гель методом;
Синтез клатрата кремния NaxSi136 (x<25) путём вакуумного отжига;
Устройство для преобразования ионизирующего излучения в электрическую энергию;
Электронная структура поверхности Sb(111): эксперимент и расчёт.
Учебная работа. В 2013 г. состоялся третий выпуск факультета. Дипломы специалиста получили 22 человека, из них 6 – с отличием.
Проведён второй приём в аспирантуру: приняты 7 человек, все они – выпускники факультета.
Конференции. Сделано 22 доклада на конференциях, симпозиумах и съездах, опубликованы тезисы докладов.
Персоналии. Премия Правительства РФ 2013 г. в области науки и техники присуждена группе молодых учёных во главе с руководителем лаборатории инженерного материаловедения Д.А. Ивановым «за разработку методики комплексного анализа структуры и свойств нанообъектов и ультратонких плёнок функциональных материалов современной химии».
Публикации. С участием студентов в отечественных и зарубежных научных журналах опубликована 41 статья.