Кафедра химии твердого тела
Заведующий кафедрой химии твердого тела, почетный профессор СПбГУ, заслуженный деятель науки РФ, профессор, доктор химических наук
Мурин Игорь Васильевич
Основные направления научной деятельности кафедры
- Систематическое изучение процессов ионного транспорта в твердых электролитах с заданным носителем заряда в наноструктурированном состоянии с использованием современных экспериментальных методов.
- Химический дизайн материалов ионики на основе неорганических галогенидов и оксидов металлов.
- Создание новых маршрутов синтеза мультислоёв гибридных неорганических и органических соединений и получение новых функциональных наноматериалов на их основе
- Изучение химических реакций на границе раздела с жидкостью для формирования новых наноструктурированных аморфных и кристаллических материалов.
- Разработка концепции получения композиционных наноматериалов нового поколения за счёт их структурирования как в объёме, так и на поверхности для улучшения функциональных свойств.
- Химическое конструирование и комплексное исследование материалов биомедицинского назначения с использованием наночастиц различной природы (фуллерены, графен, наноалмазы, углеродные нанотрубки, наночастицы кремнезема, металлические наночастицы и др.).
- Компьютерное моделирование суперионных проводников и материалов биомедицинского назначения.
Интенсивное развитие науки в 70-е годы XX века продемонстрировало необходимость подготовки специалистов в области химии твёрдого тела и химического материаловедения, что обусловило создание на базе химического факультета Ленинградского университета в 1978 Кафедры химии твёрдого тела (ХТТ).
Основателем и первым заведующим кафедрой более 10 лет являлся член-корреспондент РАН, профессор д.х.н. Валентин Борисович Алесковский (1912-2006), выдающийся российский ученый, который изначально задумывал кафедру как объединение ученых, разрабатывающих не только фундаментальные, но и прикладные аспекты химии твёрдого тела.
В.Б. Алесковский – основоположник «остовной» гипотезы строения твердого тела и метода молекулярного наслаивания.
Валентин Борисович Алесковский стоял у истоков становления химии твердого тела в нашей стране. Основными тематиками его научной деятельности были изучение природы и химических превращений твердых веществ и разработка технологий создания новых неорганических материалов. Он автор более 450 научных публикаций, в том числе 12 монографий и учебников, и более 150 изобретений.
Широко известны работы В. Б. Алесковского по разработке в 60-х годах процесса химической сборки (по некоторой аналогии с репликацией ДНК) и методологии синтеза твердых соединений воспроизводимого состава методом молекулярного наслаивания (МН). Химическая сборка материалов и изделий по технологии МН заключается в осуществлении ряда последовательных химических превращений на поверхности твердой подложки. При многократном повторении по определенной схеме циклических обработок твердого тела парами прекурсоров, на поверхности формируется слой, толщина которого определяется числом проведенных циклов наслаивания и может задаваться на атомном уровне. Характерные этапы, которые циклически повторяются, включают в себя:
Именно такая последовательность напуска и удаления прекурсоров является главным отличием МН от других технологий, основанных на химическом осаждении из газовой фазы, при которых реагенты могут находиться в реакционной камере одновременно в течение значительного времени. За рубежом метод МН развивался под названием атомной послойной эпитаксии (ALE), в последние годы часто используется терминология атомно-слоевого осаждения (АСО или ALD). В настоящее время данный способ является одним из основных методов синтеза наноматериалов для микроэлектроники.
В начале 90-х годов В. Б. Алесковским разработана концепция химии надмолекулярных соединений, переработанная затем при учете собственных данных и данных супрамолекулярной химии Ж.-М. Лена, что привело к созданию концепции химии высокоорганизованных веществ.
Многие результаты разработок и изобретений В. Б. Алесковского и его учеников реализованы на практике.
С 1989 г. кафедру возглавляет заслуженный деятель науки РФ, почетный профессор СПбГУ д.х.н. Игорь Васильевич Мурин, и под его руководством коллектив кафедры продолжает заложенную традицию – развивать новые перспективные направления в научно-исследовательской деятельности и образовательном процессе.
Игорь Васильевич Мурин – ведущий специалист в области химии твердого тела и химического материаловедения, один из основателей перспективного научного направления в химии конденсированного состояния - Ионики твердого тела.
В основе созданной И. В. Муриным школы по ионике твердого тела лежат фундаментальные исследования в области изучения природы суперионной проводимости в неорганических материалах, находящихся в кристаллическом, стеклообразном и наноструктурированном состояниях, с использованием современных теоретических и экспериментальных физико-химических и ядерно-физических методов. Под руководством И.В. Мурина успешно развиваются компьютерные методы исследования ионного транспорта и структурной разупорядоченности в неорганических, полимерных и гибридных материалах, что позволяет создать критерии поиска новых суперионных проводников с заданным типом носителя заряда. При этом активно используются современные компьютерные технологии — параллельные вычисления на компьютерных кластерах.
И. В. Муриным и его учениками разработаны современные методы синтеза, включая методы мягкой химии, суперионных проводников и других твердофазных материалов с уникальными функциональными свойствами. Наибольшее внимание в работах И. В. Мурина и его научной группы уделяется созданию и исследованию суперионных проводников и ионпроводящих мембран с высокой проводимостью по заданному носителю заряда. В сфере научных интересов находится исследование композитных материалов наноионики на основе углеродных нанотрубок, фуллеренов, наноалмазов. Большое внимание уделяется разработке методов синтеза и комплексному исследованию композитных керамических материалов на базе оксидов, нитридов и карбидов циркония, гафния и титана, обладающих высокой прочностью и уникальными электрофизическими характеристиками. В сферу научных интересов входит создание и изучение нового поколения наноструктурированных материалов различного функционального назначения, в том числе для альтернативных источников тока, сенсоров, инновационных материалов биомедицинского назначения. Актуальность и новизна проводимых исследований подтверждается большим количеством международных и российских научных грантов.
Коллектив кафедры имеет значительный опыт работы по синтезу наноструктурированных твердых веществ и материалов, в том числе нанослоев на различных подложках (металл, полупроводник, диэлектрик, дисперсные вещества). Проведенные исследования позволили создать научные основы синтеза наноструктур и наноструктурированных материалов на основе разработанных методов направленного синтеза, одним из которых является Молекулярное Наслаивание (МН), известное также под названиями "Atomic Layer Epitaxy (Deposition)" (ALE, ALD) или “Атомно-Слоевое Осаждение” (АСО). Оригинальные и приоритетные работы были выполнены и в области так называемого Ионного (ИН), Ионно-Коллоидного (ИКН) и Коллоидного наслаивания (КН), которые впервые независимо были осуществлены в ЛГУ и в последующем показали широкие перспективы развития в качестве одних из методов послойного (Layer-by-Layer) синтеза.
Члены коллектива Кафедры химии твердого тела являлись инициаторами и активными участниками создания в СПбГУ направления подготовки специалистов по материаловедению, реализованному сначала в программах бакалавриата и магистратуры «Химия физика и механика материалов», которые впоследствии трансформировались в «Химическое материаловедение» и «Наносистемы и наноматериалы» соответственно. Длительное время на базе кафедры проводились студенческие конференции по «Химии материалов».
Большинство выпускников кафедры успешно реализует полученные знания и навыки в ведущих образовательных и научных центрах России, в исследовательских лабораториях и университетах России, США, Германии, Вьетнама, Ливии, Китая, Израиля, Монголии и других стран, а также принимает участие уже в статусе преподавателя или научного сотрудника в работе кафедры.
Основные научные достижения коллектива кафедры ХТТ связаны с синтезом и исследованием твердофазных материалов в объемном и наноструктурированном состоянии, обладающих заданными функциональными свойствами, определяемыми в основном взаимосвязью электронной и ионной подсистем. В последние годы сотрудникам кафедры удалось достичь весомых результатов, которые сравнимы с мировыми достижениями в различных областях химии твёрдого тела и нанотехнологий:
Научные исследования сотрудников кафедры поддерживаются многими грантами Федеральных целевых программ “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России” и "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России", грантами зарубежных (INTAS, NWO, CRDF) и российских фондов «Научная школа», «Интеграция», «Университеты России», РФФИ, РНФ. Тематика грантов носит как фундаментальный научный, так и прикладной характер. Сотрудниками кафедры разрабатываются основы прецизионных методов синтеза твердых веществ, которые реализуются при создании наноматериалов различного функционального назначения, устройств микроэлектроники и ионики твёрдого тела, новых эффективных сорбентов, сенсоров, катализаторов, защитных покрытий, биоматериалов и др. С помощью современного парка лабораторного оборудования проводятся качественные исследования твердофазных веществ в объемном и наноструктурированном состоянии, направленные на установление взаимосвязи состава, строения, реакционной способности и свойств, а также выяснение возможности практического применения новых синтезированных материалов, обладающих набором необходимых функциональных свойств. Некоторые НИР, выполняемые с помощью информационных и вычислительных ресурсов, направлены на химическое моделирование и прогнозирование свойств перспективных твердофазных материалов. На кафедре выполнен ряд работ, ориентированных на создание и развитие технологических автоматизированных установок, позволяющих синтезировать новые классы наноматериалов с улучшенными функциональными свойствами.
Существенное внимание уделяется инновационной деятельности. Прикладные исследования, проводимые на кафедре, поддерживаются государственными контрактами и программами «Старт» и МНТЦ. Научные достижения подтверждены большим количеством российских и международных патентов, авторскими свидетельствами, медалями ВДНХ.
Кафедра химии твёрдого тела с момента основания и по сегодняшний день занимает лидирующие позиции в стране в области развития методов синтеза и исследования твердых веществ в объемном и, особенно, наноструктурированном состоянии. Так, впервые в России с 1996 г. на базе кафедры регулярно проводились Международные конференции по химии высокоорганизованных веществ и научным основам нанотехнологии (1996, 1998, 2001, 2004) и "Круглый стол" по современным проблемам ионики твёрдого тела с участием ведущих мировых специалистов.
Сегодня на кафедре ХТТ в работах ее сотрудников представлены практически все направления современной фундаментальной и прикладной химии твёрдого тела: компьютерное моделирование и прогнозирование свойств новых перспективных материалов, разработка различных методов синтеза наноструктурированных веществ, современные наукоемкие, авторские и адаптированные методики исследования состава, строения, свойств получаемых соединений и материалов, и, в конечном итоге, применение разрабатываемых технологий для создания современных твердотельных устройств.
Основателем и первым заведующим кафедрой более 10 лет являлся член-корреспондент РАН, профессор д.х.н. Валентин Борисович Алесковский (1912-2006), выдающийся российский ученый, который изначально задумывал кафедру как объединение ученых, разрабатывающих не только фундаментальные, но и прикладные аспекты химии твёрдого тела.
В.Б. Алесковский – основоположник «остовной» гипотезы строения твердого тела и метода молекулярного наслаивания.
Валентин Борисович Алесковский стоял у истоков становления химии твердого тела в нашей стране. Основными тематиками его научной деятельности были изучение природы и химических превращений твердых веществ и разработка технологий создания новых неорганических материалов. Он автор более 450 научных публикаций, в том числе 12 монографий и учебников, и более 150 изобретений.
Широко известны работы В. Б. Алесковского по разработке в 60-х годах процесса химической сборки (по некоторой аналогии с репликацией ДНК) и методологии синтеза твердых соединений воспроизводимого состава методом молекулярного наслаивания (МН). Химическая сборка материалов и изделий по технологии МН заключается в осуществлении ряда последовательных химических превращений на поверхности твердой подложки. При многократном повторении по определенной схеме циклических обработок твердого тела парами прекурсоров, на поверхности формируется слой, толщина которого определяется числом проведенных циклов наслаивания и может задаваться на атомном уровне. Характерные этапы, которые циклически повторяются, включают в себя:
- действие первого прекурсора
- удаление из реактора непрореагировавших реагентов и газообразных продуктов реакции;
- действие второго прекурсора (обработка для активирования поверхности перед последующим применением первого прекурсора)
- удаление из реактора остатков реагентов и продуктов реакций
Именно такая последовательность напуска и удаления прекурсоров является главным отличием МН от других технологий, основанных на химическом осаждении из газовой фазы, при которых реагенты могут находиться в реакционной камере одновременно в течение значительного времени. За рубежом метод МН развивался под названием атомной послойной эпитаксии (ALE), в последние годы часто используется терминология атомно-слоевого осаждения (АСО или ALD). В настоящее время данный способ является одним из основных методов синтеза наноматериалов для микроэлектроники.
В начале 90-х годов В. Б. Алесковским разработана концепция химии надмолекулярных соединений, переработанная затем при учете собственных данных и данных супрамолекулярной химии Ж.-М. Лена, что привело к созданию концепции химии высокоорганизованных веществ.
Многие результаты разработок и изобретений В. Б. Алесковского и его учеников реализованы на практике.
С 1989 г. кафедру возглавляет заслуженный деятель науки РФ, почетный профессор СПбГУ д.х.н. Игорь Васильевич Мурин, и под его руководством коллектив кафедры продолжает заложенную традицию – развивать новые перспективные направления в научно-исследовательской деятельности и образовательном процессе.
Игорь Васильевич Мурин – ведущий специалист в области химии твердого тела и химического материаловедения, один из основателей перспективного научного направления в химии конденсированного состояния - Ионики твердого тела.
В основе созданной И. В. Муриным школы по ионике твердого тела лежат фундаментальные исследования в области изучения природы суперионной проводимости в неорганических материалах, находящихся в кристаллическом, стеклообразном и наноструктурированном состояниях, с использованием современных теоретических и экспериментальных физико-химических и ядерно-физических методов. Под руководством И.В. Мурина успешно развиваются компьютерные методы исследования ионного транспорта и структурной разупорядоченности в неорганических, полимерных и гибридных материалах, что позволяет создать критерии поиска новых суперионных проводников с заданным типом носителя заряда. При этом активно используются современные компьютерные технологии — параллельные вычисления на компьютерных кластерах.
И. В. Муриным и его учениками разработаны современные методы синтеза, включая методы мягкой химии, суперионных проводников и других твердофазных материалов с уникальными функциональными свойствами. Наибольшее внимание в работах И. В. Мурина и его научной группы уделяется созданию и исследованию суперионных проводников и ионпроводящих мембран с высокой проводимостью по заданному носителю заряда. В сфере научных интересов находится исследование композитных материалов наноионики на основе углеродных нанотрубок, фуллеренов, наноалмазов. Большое внимание уделяется разработке методов синтеза и комплексному исследованию композитных керамических материалов на базе оксидов, нитридов и карбидов циркония, гафния и титана, обладающих высокой прочностью и уникальными электрофизическими характеристиками. В сферу научных интересов входит создание и изучение нового поколения наноструктурированных материалов различного функционального назначения, в том числе для альтернативных источников тока, сенсоров, инновационных материалов биомедицинского назначения. Актуальность и новизна проводимых исследований подтверждается большим количеством международных и российских научных грантов.
Коллектив кафедры имеет значительный опыт работы по синтезу наноструктурированных твердых веществ и материалов, в том числе нанослоев на различных подложках (металл, полупроводник, диэлектрик, дисперсные вещества). Проведенные исследования позволили создать научные основы синтеза наноструктур и наноструктурированных материалов на основе разработанных методов направленного синтеза, одним из которых является Молекулярное Наслаивание (МН), известное также под названиями "Atomic Layer Epitaxy (Deposition)" (ALE, ALD) или “Атомно-Слоевое Осаждение” (АСО). Оригинальные и приоритетные работы были выполнены и в области так называемого Ионного (ИН), Ионно-Коллоидного (ИКН) и Коллоидного наслаивания (КН), которые впервые независимо были осуществлены в ЛГУ и в последующем показали широкие перспективы развития в качестве одних из методов послойного (Layer-by-Layer) синтеза.
Члены коллектива Кафедры химии твердого тела являлись инициаторами и активными участниками создания в СПбГУ направления подготовки специалистов по материаловедению, реализованному сначала в программах бакалавриата и магистратуры «Химия физика и механика материалов», которые впоследствии трансформировались в «Химическое материаловедение» и «Наносистемы и наноматериалы» соответственно. Длительное время на базе кафедры проводились студенческие конференции по «Химии материалов».
Большинство выпускников кафедры успешно реализует полученные знания и навыки в ведущих образовательных и научных центрах России, в исследовательских лабораториях и университетах России, США, Германии, Вьетнама, Ливии, Китая, Израиля, Монголии и других стран, а также принимает участие уже в статусе преподавателя или научного сотрудника в работе кафедры.
Основные научные достижения коллектива кафедры ХТТ связаны с синтезом и исследованием твердофазных материалов в объемном и наноструктурированном состоянии, обладающих заданными функциональными свойствами, определяемыми в основном взаимосвязью электронной и ионной подсистем. В последние годы сотрудникам кафедры удалось достичь весомых результатов, которые сравнимы с мировыми достижениями в различных областях химии твёрдого тела и нанотехнологий:
- Разработаны методы послойного синтеза неорганических композиционных наноматериалов, в частности, выявлены основные закономерности ионного, ионно-коллоидного и коллоидного наслаивания, что нашло применение при создании мембран для разделения газовых смесей, включая водород-содержащие, мембран топливных ячеек на основе гибридных изо- и гетерополиоксометаллатов, антикоррозионных покрытий ряда металлов и т.д.
- Разработаны научные основы наноструктурирования объема твёрдого вещества для получения нового поколения композиционных наноматериалов на основе керамики, металлов, полимеров.
- Созданы и исследованы перспективные суперионные материалы с преимущественной ионной проводимостью по сере, кислороду, фтору, хлору.
- Разработаны новые маршруты создания электрохимических сенсоров на глюкозу на основе MnO2, кондуктометрических газовых сенсоров на основе SnO2, внедрены для промышленного использования сенсоры влажности на основе нанодисперсного кремнезема с привитыми инициаторами полимеризации.
- Методами молекулярной динамики проведено компьютерное моделирование ионных процессов, в т.ч. динамических свойств наноматериалов ионики твёрдого тела в углеродных нанотрубках с использованием высокопроизводительного вычислительного кластера.
- Разработаны новые наноматериалы биомедицинского назначения, обладающие бактерицидным действием, антирадикальной активностью, протекторными свойствами.
Научные исследования сотрудников кафедры поддерживаются многими грантами Федеральных целевых программ “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России” и "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России", грантами зарубежных (INTAS, NWO, CRDF) и российских фондов «Научная школа», «Интеграция», «Университеты России», РФФИ, РНФ. Тематика грантов носит как фундаментальный научный, так и прикладной характер. Сотрудниками кафедры разрабатываются основы прецизионных методов синтеза твердых веществ, которые реализуются при создании наноматериалов различного функционального назначения, устройств микроэлектроники и ионики твёрдого тела, новых эффективных сорбентов, сенсоров, катализаторов, защитных покрытий, биоматериалов и др. С помощью современного парка лабораторного оборудования проводятся качественные исследования твердофазных веществ в объемном и наноструктурированном состоянии, направленные на установление взаимосвязи состава, строения, реакционной способности и свойств, а также выяснение возможности практического применения новых синтезированных материалов, обладающих набором необходимых функциональных свойств. Некоторые НИР, выполняемые с помощью информационных и вычислительных ресурсов, направлены на химическое моделирование и прогнозирование свойств перспективных твердофазных материалов. На кафедре выполнен ряд работ, ориентированных на создание и развитие технологических автоматизированных установок, позволяющих синтезировать новые классы наноматериалов с улучшенными функциональными свойствами.
Существенное внимание уделяется инновационной деятельности. Прикладные исследования, проводимые на кафедре, поддерживаются государственными контрактами и программами «Старт» и МНТЦ. Научные достижения подтверждены большим количеством российских и международных патентов, авторскими свидетельствами, медалями ВДНХ.
Кафедра химии твёрдого тела с момента основания и по сегодняшний день занимает лидирующие позиции в стране в области развития методов синтеза и исследования твердых веществ в объемном и, особенно, наноструктурированном состоянии. Так, впервые в России с 1996 г. на базе кафедры регулярно проводились Международные конференции по химии высокоорганизованных веществ и научным основам нанотехнологии (1996, 1998, 2001, 2004) и "Круглый стол" по современным проблемам ионики твёрдого тела с участием ведущих мировых специалистов.
Сегодня на кафедре ХТТ в работах ее сотрудников представлены практически все направления современной фундаментальной и прикладной химии твёрдого тела: компьютерное моделирование и прогнозирование свойств новых перспективных материалов, разработка различных методов синтеза наноструктурированных веществ, современные наукоемкие, авторские и адаптированные методики исследования состава, строения, свойств получаемых соединений и материалов, и, в конечном итоге, применение разрабатываемых технологий для создания современных твердотельных устройств.
доц. Е. Г. Земцова