КРАТКАЯ ИСТОРИЯ И СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ КАФЕДРЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА.

Кафедра молекулярной физики была основана в 1931-м году членом- корреспондентом АН СССР Александром Саввичем Предводителевым. Александр Саввич заведовал кафедрой 41 год с 1931-го по 1972 года (Рис. 1).


Рис. 1


В предвоенные и первые послевоенные годы кафедра занималась в основном двумя проблемами: изучением теплофизических свойств вещества и исследованиями в области физико-химических превращений в газах при электрическом разряде и горении.

За теоретические и экспериментальные исследования процессов горения углерода, изложенные в монографии «Горение углерода», А.С. Предводителеву и Л.Н. Хитрину была присуждена Государственная премия (1950 г.). В послевоенный период на кафедре стали развиваться два больших научных направления: физическая газодинамика и физика конденсированных сред. Новый этап в изучении физической газодинамики на кафедре начался в 50-е годы и связан с исследованиями релаксационных процессов в молекулярных газах за фронтом ударных волн, которые приобрели актуальность в связи с развитием ракетной техники. Кафедра одной из первых в стране приступила к созданию ударных труб, которые позволили изучить релаксационные процессы в диапазоне температур от тысячи до десятков тысяч градусов Кельвина Результаты этих работ опубликованы в монографии Е.В. Ступоченко, С.А. Лосева и А.И. Осипова «Релаксационные процессы в ударных волнах» (М., Наука, 1965). Расчеты термодинамических и кинетических свойств воздуха в широком диапазоне температур и давлений опубликованы в многотомном справочнике «Таблицы термодинамических свойств воздуха», являющимся настольной книгой для всех занимающихся расчетами параметров воздуха за ударной волной. Под руководством А.С. Предводителева были начаты детальные исследования процессов в ударных трубах; изучено распространение ударных волн в неоднородных средах (Ф.В. Шугаев, Л.С. Штеменко, Н.Н. Сысоев, А.И. Климов, И.А. Знаменская); По инициативе А.С. Предводителева в 60-е годы совместно с Энергетическим институтом проводились работы по проблеме магнито-гидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую (Г.П. Петрова, и др.).

В 70-е годы стала развиваться релаксационная гидродинамика (А.И. Осипов, А.В. Уваров) и началось экспериментальное изучение неустойчивости ударных волн на ударных трубах кафедры с числами Маха ударных волн до 40 (А.П. Рязин, А.И.Соколов). Работы кафедры по физике жидкости проводились под руководством А.С. Предводителева, Е.Г. Швидковского, а затем Л.П. Филиппова и были направлены на получение и накопление надежных теплофизических данных для жидкостей различных типов. Был создан ряд уникальных прецизионных установок для исследования свойств жидкостей методами спектроскопии рассеянного света, диэлектрической релаксации, флуоресценции, теплового периодического нагрева. Монография Л.П. Филиппова «Методы расчета и прогнозирования свойств веществ» (МГУ, 1988) была удостоена премии Совета Министров СССР. Одним из направлений работы этой лаборатории было создание методов диагностики онкологических заболеваний (Г.П. Петрова, Ю.М. Петрусевич, и др.). В связи с развитием твердотельной электроники резко возрос интерес к работам по дислокациям в твердых телах. В работе принимали участие А.А. Предводителев, Н.А. Тяпунина, Г.В. Бушуева, Г.М. Зиненкова и др.

С 1972-м года по 1982-й год заведующим был профессор Анатолий Александрович Предводителев. Четыре года с 1982-го по 1986 год исполнял обязанности заведующего кафедры профессор Шугаев Ф.В. Пять лет с 1986-го по 2001 год возглавлял кафедру профессор Владимир Борисович Брагинский.


Рис. 2

С 2001 года кафедрой руководит профессор Николай Николаевич Сысоев (Рис. 2, Н.Н. Сысоев со студентами и аспирантами).

Н.Н. Сысоев исследовал термодинамические и радиационные характеристики полей течения при взрывах, позволившие провести классификацию физико-химических процессов образования заряженных частиц и определить их роль в механизме генерации электромагнитного излучения. Кроме того, им исследовано распространение ударных волн через области неоднородности, созданные взрывами и плазменными образованиями. Полученные результаты отражены в монографиях (В.В. Селиванов, В.С. Соловьев, Н.Н. Сысоева «Ударные и детонационные волны. Методы исследования» МГУ, 1990) и др., учебном пособии Сысоев Н.Н., Селиванов В.В., Хахалин А.В. Физика горения и взрыва: В 3 частях. В 2014 Н.Н. Сысоев совместно с П.Н. Захаровым был награжден Премией правительства РФ в области науки и техники.

Разрабатываются мультифизические модели, в областях: физико-химической гидродинамики, многофазных течений, плазменной аэродинамики, межфазного энергообмена, экстремальных состояний вещества, в области микроэлектроники, фотоники и по другим направлениям. Основной объект исследования - физические эффекты на молекулярном и на макроуровне в жидких, твердых, газоплазменных средах.

Динамические процессы исследуются экспериментально и численно. Ведутся исследования в междисциплинарных областях – разрабатываются методы в био-медицинской диагностике.

В рамках школы «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» получило развитие направление «Высокоскоростная фотоника в исследованиях быстропротекающих процессов».


Рис. 3

В частности, с наносекундным разрешением исследовалась динамика короткоживущих плазменных образований в сверхзвуковых потоках в видимом и инфракрасном диапазонах (Рис. 3).

Детальное изучение свойств рассеянного света позволяет получить сведения о структуре молекул и молекулярных систем, о природе межмолекулярных и внутримолекулярных сил, а также производить качественный и количественный анализ различных соединений.

Результаты исследования процессов коллагенолиза могут быть использованы в медицине для разработки методики мониторинга биодеградации коллагена в режиме реального времени при различных патологических заболеваниях в организме, а также в разработке новых лекарственных препаратов, содержащих бактериальную коллагеназу.


Рис. 4


Фотодинамическая терапия (Рис. 4) является одним из активно развивающихся малоинвазивных и органосохраняющих методов лечения онкологических заболеваний полостных органов и кожи со сложной локализацией. При разработке «идеального» фотосенсибилизатора (ФС) особое внимание уделяется его свойству избирательно накапливаться в онкологических тканях.

 

Данная работа продолжает ранее начатое исследование, и представляет собой составную часть комплексного научного исследования, проводимого на Физическом факультете в сотрудничестве с ОФАВ РАН и посвященного разработке новых фотосенсибилизаторов третьего поколения и созданию лекарственных форм на их основе.


Рис. 5

Экспериментально и численно исследуются задачи управления сверхзвуковыми течениями газа в каналах на основе импульсного плазменного воздействия на уникальной плазмодинамической установке кафедры. Обнаружен ряд новых физических эффектов, в области плазменной аэродинамики (Рис. 5), связанных с локализацией сильноточных наносекундных разрядов в участки пограничного слоя, зоны отрыва в профилированных каналах, с явлениями распада разрыва.


Рис. 6

В научных исследованиях огромную роль играют разработка методов измерения исследуемых процессов: их обработки и анализ полученных результатов. На кафедре разработаны и используются ряд новых экспериментальных методов: метод определения рельефа поверхности жидкости (Рис. 6), методы высокоскоростной термографии пограничных слоев жидкости и газа, метод «термография на просвет», метод визуализации сверхзвуковых течений импульсным объемным разрядом, и др. Результаты измерений необходимы при проектировании двигательных установок, различного типа реакторов и других высокоэнергетических систем.

Цифровые технологии многократно увеличили объем визуальной информации при регистрации быстропротекающих процессов. В данной работе реализован подход к анализу больших массивов данных цифровой высокоскоростной визуализации течений с использованием программ машинного зрения и обучения. Создано программное обеспечение для автоматического отслеживания координат и размеров структур течений в автоматическом режиме. Предложен и реализован подход к анализу больших массивов данных цифровой высокоскоростной визуализации течений на основе искусственного интеллекта; используются программы машинного зрения и обучения, свёрточные нейронные сети CNN. Создано программное обеспечение для автоматического отслеживания координат и размеров структур течений в автоматическом режиме с помощью алгоритмов выделения границ (краев), что позволило обрабатывать большие массивы цифровых данных (полученных оптическими методами) без участия человека, что позволило получить дополнительно новую научную информацию. Скорость распознавания объектов на изображениях (ударных волн, частиц-трассеров в потоке) нейронной сетью составила 15 к/с. При помощи машинного зрения и обучения было разработан ряд программ обработки теневых и шлирен изображений Рис. 7.


Рис. 7

Разработаны методы создания радиотехнических моделей местности с применением геопространственных технологий, методы моделирования распространения радиоволн в сложных средах. Созданы программно-аппаратные комплексы радиомониторинга.

2 года назад впервые в России была создана и размещена на сайте кафедры общедоступная цифровая интернет - галерея уникальных научных изображений и видео потоков газа, плазмы, жидкости, полученных в разное время сотрудниками кафедры. Пока там около 200 изображений и анимаций – экспериментальных и расчетных.


Рис. 8

Галерея регулярно пополняется, на сегодняшний день зафиксировано более 1700 посещений. На Рис. 8 – скриншот с сайта molphys.phys.msu.ru/galery/index.php/photoimages.

Сейчас в составе кафедры 26 сотрудников (Рис. 9). Кафедра ведёт магистерскую программу «Физика молекулярных процессов и экстремального состояний вещества». Всего читается 25 спецкурсов. В специальном практикуме кафедры молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества 18 задач.  За пять лет поставлены три новые задачи. В настоящее время на кафедре обучается 24 студента в бакалавриате и магистратуре и 6 в аспирантуре.


Рис. 9


Рис. 10

24 ноября 2021г. на кафедре молекулярной физики ректором В.А. Садовничим была открыта уникальная лаборатория электронно-зондовых исследований по функциональному анализу и редактированию микросхем топологической нормы до 40 нм с использованием методик лазерно-сканирующей, фотоэмиссионной, ионной и ИК- микроскопии с системой CAD навигации. (Рис. 10). В лаборатории применяется современное диагностическое оборудование. Разработаны алгоритмы контроля для проверки стойкости микросхем к внешним атакам.