О кафедре

1. Предмет химии твердого состояния

Химия твердого состояния (solid state chemistry(калька с немецкого Festkörperсhemie – химия твердого тела) – раздел химии, изучающий свойства веществ в твердом состоянии и превращения с их участием.

Как самостоятельный раздел химии выросла из теории гетерогенного катализа, физической химии растворов электролитов, препаративной неорганической и органической химии, физической химии, теории фазовых переходов, физики конденсированного состояния и ряда других смежных дисциплин.

Химия твердого состояния – один из важнейших общих разделов современной химии, без которого немыслимо университетское образование. Везде в мире, в том числе, в России, химию твердого состояния, если и не выделяют в самостоятельный курс, то вводят элементы, связанные с твердым состоянием вещества, во все базовые и специальные курсы.

Химия твердого состояния условно может быть разделена на:

препаративную (аналог химического синтеза, но шире, так как предполагает получение не просто соединения заданного состава, но и структуры, частиц определенного размера и формы, дефектов, определенной структуры поверхности, наноструктурирования и т.д., вплоть за задачи синтеза материала с заданными свойствами без конкретизации того, как именно это может быть достигнуто),

аналитическую (анализ химического и фазового состава, структуры, дефектов, размера и формы частиц и т.д.),

физическую (кинетика, термодинамика реакций с участием твердых веществ, механизмы реакций, управление ими и получаемыми продуктами).

Объектами химии твердого состояния могут быть любые – неорганические, органические, биоорганические, координационные – соединения, причем не только кристаллические, но и аморфные, а также наноструктурированные, композиты, вплоть до сложных изделий, материалов, катализаторов.

Методы химии твердого тела достаточно специфичны, поскольку требуются, в частности, для исследования характеристик объектов и процессов в них с высоким пространственным и временным разрешением. Кроме того, необходима очень высокая чувствительность к малейшим отклонениям от идеальных состава и структуры (дефектам), возможность исследовать раздельно поверхность и объем объекта, а также структуру на различных уровнях – от атомарного до макрохарактеристик образца. Применение синхротронного излучения и нейтронов, электронной микроскопии, различных видов спектроскопии и дифракции, а также термического анализа и калориметрии в лабораторных условиях – насущная необходимость при исследовании

Специфика изучения твердых веществ и процессов с их участием. Далеко не любые исследования процессов с участием твёрдых веществ однозначно относятся именно к химии твердого тела. Многие проблемы могут прекрасно решаться в рамках «традиционных» представлений физической или неорганической химии. В то же время, такие проблемы, как, например, управление пространственным развитием реакции, морфологией и дисперсностью продукта превращения, исследование механизма превращения, исследования структурных изменений с атомным разрешением, исследование роли дефектов и/или идеальной структуры в превращении и др., являются проблемами, специфичными именно для химии твердого состояния.

Химия твердого состояния является частью более общего раздела, химии конденсированного состояния (изучающей как твердые вещества, так и жидкие фазы, и мезофазы, и биологические объекты), смыкается с супрамолекулярной химией, механохимией и физикой конденсированного состояния, имеет важное значение для наук о материалах, гетерогенного катализа, а также многих современных технологий.

 
2. История возникновения кафедры ХТТ в НГУ и краткий обзор её деятельности с момента открытия

История возникновения кафедры ХТТ и общий обзор её деятельности за 40 лет

Химия твердого тела, в значительной степени, ассоциируется с работами школы академика В.В. Болдырева, известными далеко за пределами России. Неудивительно поэтому, что в СССР впервые химию твердого состояния как самостоятельную дисциплину начали преподавать именно в НГУ – на кафедрах физической химии, неорганической химии, химической физики как специальный курс. Там же началась подготовка первых специалистов в области химии твердого состояния, хотя формально специализация первоначально так не называлась, но готовились специалисты в области неорганической или физической химии, либо химической физики.

В 1980 году была открыта первая в СССР кафедра химии твердого тела. Заслуга этого принадлежит В.В. Болдыреву, который был ее первым заведующим, и исполняет обязанности завкафедрой в настоящее время.
Междисциплинарный характер исследований, обусловленный самой междисциплинарностью области «химия твердого тела» и универсальностью используемых методов, способствовал тому, что кафедра ХТТ за срок своего существования тесно интегрировалась в межкафедральное, межфакультетское, межинститутское, национальное и международное сотрудничество. Это относится как к научной, так и к образовательной деятельности.
Образовательная деятельность
Образовательная деятельность кафедры ХТТ изначально включала два направления: 1) обеспечение общей базовой подготовки для всех студентов-химиков и 2) подготовка выпускников по профилю «химия твердого тела». По мере развития кафедры общая базовая подготовка по химии твердого тела, кристаллографии, кристаллохимии, методам исследования твердых веществ, дававшаяся в рамках общего курса «Химия твердого тела», была дополнена более углубленной подготовкой в области тех же дисциплин в рамках спецкурсов не только для студентов, специализирующихся непосредственно на кафедре по профилю «химия твердого тела», но и для студентов других кафедр других профилей подготовки, которые выбирают спецкурсы кафедры ХТТ, выстраивая свои индивидуальные траектории обучения. Общий курс «Химия твердого тела» был дополнен общими курсами «Общая химическая технология», «Супрамолекулярная химия». С 2018 года кафедра, сохраняя профиль подготовки «Химия твердого тела», реализует дополнительный профиль подготовки в рамках новой междисциплинарной межфакультетской магистерской программы «Физические методы в междисциплинарных исследованиях», ориентированный, в том числе, на подготовку кадров в рамках национальной Программы развития в РФ синхротронных и нейтронных исследований. Кроме того, с 2019 года кафедра ХТТ обеспечивает подготовку иностранных учащихся в рамках англоязычной магистерской программы «Materials sciences».
 
Обеспечение общей базовой подготовки в рамках курса «Химия твердого тела»
 
При открытии кафедры химии твердого тела одним из главных условий, поставленных руководством ФЕН и НГУ, было то, что она должна была не только готовить специалистов по профилю «химия твердого состояния», но, прежде всего, взять на себя обеспечение общей подготовки всех химиков в области химии твердого состояния, независимо от того, в какой области химии они будут специализироваться в дальнейшем, а также взять на себя в качестве «обременения» обучение всех студентов-химиков кристаллографии, кристаллохимии, методам дифракционных исследований. Данное обременение возникло потому, что, в отличие от химии твердого тела, кристаллография и кристаллохимия входили и до сих пор входят в перечень дисциплин, обязательных для изучения всеми химиками, получающими университетское образование. Таким образом, общий курс химии твердого тела мог быть введен в программу (и был введен в программу) только при условии, что он включит в себя весь требуемый образовательными стандартами объем кристаллографии и кристаллохимии. Первоначально включение кристаллографии и кристаллохимии в курс химии твердого состояния было достаточно «гетерогенным», то есть, они преподавались как две не слишком связанные части курса, разными преподавателями. В дальнейшем, во многом, благодаря многолетним усилиям Е.В. Болдыревой, возглавлявшей кафедру в 2005 – 2020 гг., удалось достичь синергизма преподавания химии твердого состояния, основ кристаллографии, кристаллохимии и дифракционных методов исследования, а также химии материалов в рамках единого общего курса. Опыт был признан успешным и распространился на многие другие вузы в России и за рубежом (см. Boldyreva, E. V. (1993). Solid state chemistry: Taught as a comprehensive university course for chemistry students. Journal of chemical education70(7), 551; Boldyreva, E. (2010). Teaching general chemistry, solid-state chemistry and crystallography in one comprehensive undergraduate course: can the effect be synergistic?. Journal of Applied Crystallography43(5), 1172-1180). Болдырева неоднократно приглашалась читать лекции по химии твердого тела в зарубежных вузах и на международных школах, а также вошла в комиссии по преподаванию Международного союза кристаллографов и Национального комитета кристаллографов России. Еще одним достижением был переход к преподаванию “на том же языке”, на котором читаются другие химические курсы на факультете, то есть показ общности физической химии растворов и термодинамики точечных дефектов в кристаллах неорганических соединений, описания электронного строения кристаллов и теории молекулярных орбиталей. Эти разработки получили одобрение ведущих специалистов в данных областях, в частности, в первом случае, профессора Г. Шмальцрида (ФРГ), у которого Болдырева работала приглашенным исследователем в течение нескольких месяцев в 1990 году, а во втором случае, нобелевского лауреата Роальда Хофманна, который высоко оценил разработки и подарил факсимиле рукописного варианта своих собственных лекций. Курс «Химия твердого тела» постоянно обновляется, с тем чтобы оставаться именно общим курсом, то есть отвечать требованию подготовки всех химиков, независимо от того, какой профиль подготовки они выберут в дальнейшем. Курс сочетает «неизменную базовую часть», изложение которой может изменяться по форме, но не по содержанию, и «вариативную часть», которая подвержена изменениям, в соответствии с тенденциями развития современной науки.
Обеспечение общей базовой подготовки в рамках курса «Супрамолекулярная химия»
Важным моментом развития кафедры ХТТ стал переход от преподавания только химии кристаллических, прежде всего, неорганических соединений к преподаванию, наряду с этим, супрамолекулярной химии конденсированных фаз в более широком смысле. Этот опыт преподавания супрамолекулярной химии в тесной взаимосвязи с понятиями, концепциями и методами химии твердого состояния ([Boldyreva E.V. Solid state chemistry taught as supramolecular chemistry: a comprehensive course for chemistry students. 22nd Course in Crystallography, Crystallography of Supramolecular Compounds, Erice (Italy), June, 1995, p.94]) был высоко оценен нобелевским лауреатом Жаном-Мари Леном. Болдырева по его приглашению проработала в его лаборатории полгода в качестве приглашенного профессора, перевела на русский язык его монографию «Супрамолекулярная химия – концепции и перспективы», а также разработала совместно с ним ряд учебно-методических материалов, что нашло отражение и в публикациях в Journal of Chemical Education ([Varnek A.А., Dietrich B., Wipff G., Lehn J.-M., Boldyreva E.V.  Supramolecular Chemistry. Computer-Assisted Instruction in Undergraduate and Graduate Chemistry Courses, J. Chem. Educ. 2000, vol. 77, N2, p. 222-226; Varnek A.А., Dietrich B., Wipff G., Lehn J.-M., Boldyreva E.V. Chimie supramoleculaire assistee par ordinateur,  Techniques de l’Ingenieur, traite Sciences fondamentales, AF 6048, 2002]). В НГУ Болдырева приняла активное участие в проведении первой Национальной школы-конференции по супрамолекулярной химии (2001 год), а также поставила курс Супрамолекулярной химии, читавшийся сначала как спецкурс для кафедры ХТТ ФЕН, а затем выросший до спецкурса для всех студентов-химиков ФЕН. В определенный период времени блоки этого курса, помимо Болдыревой, читали сотрудники ИНХ СО РАН, НИОХ СО РАН, ИХБФМ СО РАН. Несколько лет этот курс читал сотрудник НИОХ СО РАН к.х.н. В.К. Хлесткин, затем курс вернулся к Болдыревой. Его чтение апробировано в различных форматах, включая формат «Журнального клуба» с последующей миниконференцией. В 2020/2021 учебном году этот курс будут вести к.х.н. С.Г. Архипов и к.х.н. Е.А. Лосев.

Обеспечение общей базовой подготовки в рамках курса «Общая химическая технология»

По просьбе ректората и деканата ФЕН академики РАН В.В. Болдырев и В.И. Бухтияров поставили курс Общей химической технологии для всех химиков третьего курса ФЕН. За этот общий курс с начала его чтения и по настоящий момент отвечает кафедра химии твердого тела. Помимо В.В. Болдырева, блоки курса и отдельные лекции читали лекторы из Института катализа СО РАН, ИНХ СО РАН, НИОХ СО РАН, ИХТТМ СО РАН. Несколько лет курс читал сотрудник НИОХ СО РАН к.х.н. В.К. Хлесткин. После его отъезда из Новосибирска два последних года курс, при общем руководстве В.В. Болдырева по ранее подготовленным материалам, читали (в примерно равных пропорциях) сотрудник ИХТТМ СО РАН А.В. Уткин и сотрудник ИК СО РАН Д.И. Потемкин с привлечением также других сотрудников ИНХ СО РАН и ИК СО РАН. В 2020/2021 учебном году этот курс вновь берет на себя к.х.н. А.Н. Михеев (ИНХ СО РАН) при общем руководстве академика РАН В.В. Болдырева и с привлечением для чтения отдельных лекций профильных специалистов из институтов РАН и других организаций.

Обеспечение общей базовой и профильной подготовки в рамках спецкурсов, подготовленных на кафедре

Помимо трех вышеперечисленных общих курсов – ХТТ, СМХ и ОХТ – на кафедре был разработан комплекс спецкурсов, соответствующих трем основным модулям подготовки студентов: 1) строение и свойства твердых веществ и закономерности процессов с их участием, 2) современные физико-химические методы исследования твердых веществ, в том числе, с использованием синхротронного излучения, 3) прикладные аспекты химии твердого состояния.

Эти спецкурсы предназначены, в первую очередь, студентам, которых кафедра твердого тела готовит как выпускающая (бакалаврам и специалистам по профилю «Химия твердого тела», а также магистрам по профилям «Химия твердого тела» и «Методическое обеспечение физико-химических исследований конденсированных фаз»). Однако аудитория спецкурсов не ограничивается только этими студентами. Многие спецкурсы востребованы cтудентами других кафедр. Кроме того, их активно включают в свои учебные планы и посещают аспиранты НГУ и СО РАН, причем из многих институтов. Перечень спецкурсов подобран таким образом, чтобы часть курсов могли проходить совместно студенты, обучающиеся по разным профилям подготовки. При этом практика объединения вместе студентов бакалавриата и специалитета, а также бакалавриата и магистратуры оказалась не адекватной с тех пор, как бакалавры НГУ стали все чаще продолжать обучение в магистратуре или на других кафедрах, или вообще вне НГУ, а в магистратуру поступает все больше выпускников бакалавриата других вузов. По профилю «Методическое обеспечение физико-химических исследований конденсированных фаз» в магистратуру поступают также выпускники бакалавриата ФФ и ГГФ.  Кафедра ХТТ постоянно работает над спецкурсами и обновляет как их перечень, так и содержание.

Перечень образовательных задач:

1. Подготовка специалистов в области строения, свойств, превращений твердых веществ и методов их исследования, умеющих применять свои знания на практике:

1.1. формирование базовых компетенций в области химии твердых веществ у выпускников самых различных профилей подготовки по естественно-научным направлениям;

1.2. подготовка профильных специалистов в области химии твердого состояния;

2. Подготовка кадров, владеющих современными методами, необходимыми для проведения исследований конденсированного состояния вещества, в том числе, на источниках СИ нового поколения, прежде всего, для работы на новом синхротроне СКИФ в Новосибирской области:

2.1. Подготовка специалистов для работы непосредственно в штате центров синхротронных исследований, прежде всего, – строящихся в Российской Федерации;

2.2. Подготовка квалифицированных пользователей центров синхротронных исследований, прежде всего, – строящихся в Российской Федерации, для чего необходимы:

- Базовая подготовка в области физических основ использования синхротронного излучения;

- Базовая подготовка в области физических методов исследования конденсированных сред различной природы;

- Базовая подготовка в области физико-химии конденсированных сред: структура, свойства, превращения, практические применения;

- Подготовка специалистов для разработки и исследования материалов: материаловедение для установок класса Мега-сайенс и установки класса Мега-сайенс для материаловедения;

- Подготовка специалистов, владеющих методами структурных исследований биополимеров и биологически активных веществ;

- Подготовка специалистов в области химических технологий, умеющих использовать в своей работе методы синхротронных исследований;

- Подготовка преподавателей ВУЗов, понимающих основы и возможности методов с использования синхротронного излучения и включающих этот материал в свои учебные курсы;

- Подготовка преподавателей школ, понимающих основы и возможности методов с использования синхротронного излучения и включающих этот материал в свои учебные курсы.

Формы обучения:

1. Полный цикл обучения на базе НГУ (бакалавриат + магистратура, или специалитет);

2. Обучение в магистратуре выпускников бакалавриата других ВУЗов;

3. Обучение в аспирантуре, в том числе, выпускников других вузов;

4. Обучение с использованием сетевых форм обучения;

5. Обучение на краткосрочных курсах, школах;

6. Обучение в ходе стажировок (персонализированное обучение);

7. Обучение посредством онлайн-курсов в удаленном доступе;

8. Популярные лекции, выставки, факультативы и кружки для школьников;

9. Курсы повышения квалификации и переподготовки для представителей промышленности, ВУЗов, учителей школ, научных сотрудников;

10. Подготовка и издание образовательных материалов в различных форматах – от классического «бумажного» до мультимедийных.

Принципы организации образовательной деятельности:

1. Сочетание широкого общего образования (прежде всего, на младших курсах) и углубленной подготовки по выбранному к старшим курсам профилю;

2. Блочность, позволяющая строить индивидуальные образовательные траектории за счет разных сочетаний предлагаемых курсов;

3. Выбор содержания блоков так, чтобы одни и те же курсы могли быть востребованы для разных профилей и даже направлений подготовки, с целью оптимизировать ресурсы НГУ и читать курсы не слишком маленьким группам студентов;

4. Недопущение дублирования курсов, уже читаемых в НГУ и адекватных требованиям кафедры;

5. Реализация параллельно двух различных схем подготовки: а) преемственность от младших курсов к старшим для студентов, проходящих полный цикл обучения на ФЕН в НГУ либо б) возможность проходить интересующие курсы также независимо от остальных для студентов, приходящих из других вузов, с других факультетов, с других направлений и профилей подготовки;

6. Привлечение к чтению лекций лучших специалистов из числа активно работающих ученых, лучших специалистов в данном конкретном предмете, при этом умеющих изложить и донести материал, относящихся к преподаванию ответственно и творчески, готовых постоянно совершенствовать преподавание, обновлять старые и совершенствовать имеющие курсы, готовых конструктивно взаимодействовать в этом с другими преподавателями и зав. кафедрой;

7. Привлечение к проведению практических и лабораторных занятий молодых ученых и аспирантов;

8. Разработка отдельных модулей и/или лабораторных, курсовых работ для дисциплин других кафедр ФЕН и других факультетов (по согласованию с этими кафедрами и методическими комиссиями факультетов);

9. Развитие проектно-ориентированных форм обучения.

 
Направления и профили подготовки:

Направление: «Химия» (в настоящее время – единственное лицензированное).

Профили (бакалавриат, специалитет, магистратура): «Химия твердого тела», «Методические основы физико-химических исследований конденсированных фаз”.

Для иностранных учащихся мы готовы предложить несколько иные профили подготовки, которые востребованы сегодня в мире и в которых мы специалисты, но которые не всегда находят достаточное число студентов в России:

“Physics and chemistry of condensed state”, “Structural chemistry”, “Mechanochemistry”, “Chemistry of materials”, “Instrumental techniques for the studies of condensed matter (including synchrotron radiation techniques)”, “Drugs as materials”. В настоящее время готовим иностранных учащихся по профилю Materials Science.

Специальности в аспирантуре: 02.00.04 «Физическая химия», а также 02.00.21 «Химия твердого тела».

 
Научная повестка
Основным содержанием научной деятельности кафедры ХТТ являются работы в области физико-химии конденсированного состояния вещества, причем ядром исследований оставается химия твердого состояния, прежде всего, в тех ее аспектах, которые не «закрываются» неорганической, физической или органической химией, а именно – изучение тех процессов и их закономерностей, которые обусловлены именно тем, что реагенты и/или продукты находятся в твердом состоянии. Кафедра продолжает традиции научной школы основателя кафедры академика РАН В.В. Болдырева, главными среди которых всегда были междисциплинарность, использование современных экспериментальных методов, глубокие и оригинальные фундаментальные исследования, которые закладываются в основу реальных и востребованных, в том числе, на перспективу практических приложений. Кафедра ориентирована в выборе направлений исследований на Стратегию научно-технического развития и Большие вызовы, а также на мировые тренды развития химии конденсированного состояния, многие из которых задали и продолжают задавать сами сотрудники кафедры.

Перечень основных научных задач:

1. Фундаментальные проблемы химии и физики конденсированного состояния вещества, в первую очередь, проблемы исследования реакционной способности веществ в твердом состоянии, управления селективностью, скоростью и пространственным развитием реакций с участием твердых веществ, составом, структурой и прочими характеристиками продуктов реакции, а также фундаментальные основы модифицирования, дизайна и получения материалов в рамках основной парадигмы материаловедения «состав – структура – способ получения – свойства», научные основы сухих (в том числе, механохимических технологий).

2. Комплексные структурные исследования самых разнообразных объектов, в том числе, подготавливающие и прототипирующие исследования на источниках СИ:

2.1. Исследования минералов и материалов in situ и operando, необходимые для решения задач наук о Земле, материаловедения, катализа, энергетики, химических и фармацевтических технологий, в том числе, исследования при высоких давлениях, низких и высоких температурах, при нетермических воздействиях;

2.2. Структурные исследования биополимеров, биологически активных веществ для решения задач наук о жизни, медицины, фармации;

2.3. Материалы для установок класса Мега-сайенс и установки класса Мега-сайенс для материалов – фундаментальные основы получения, дизайна, комплексное исследование характеристик;

2.4. Исследования археологических артефактов и объектов культурного наследия при помощи современных инструментальных методов, таких как дифракция, спектроскопия, термический анализ, интроскопия;

         Традицией кафедры является проведение исследований совместно в междисциплинарных командах специалистами разных профилей; студенты проходят исследовательскую практику как непосредственно в НГУ, в НОЦ МДЭБТ и научных лабораториях НГУ, так и в различных институтах СО РАН, а также вовлечены в международное и всероссийское научное сотрудничество.

Возможные места прохождения научно-исследовательской практики обучающихся на кафедре:

 

Непосредственно в НГУ: НОЦ МДЭБТ, Лаборатория реакционной способности твердых веществ , Лаборатория органической оптоэлектроники, Лаборатория экспериментальной геохимии и петрологии мантии Земли, АТИЦ, Лаборатория структурной диагностики ультрадисперсных и наноструктурированных систем и другие.

Практически все институты СО РАН (приведены далее в алфавитном порядке): ИАиЭ СО РАН, ИК им. Г.К. Борескова СО РАН, «Вектор», ИГиЛ СО РАН, ИГМ СО РАН, МТЦ СО РАН, ИНХ им. А.В. Николаева СО РАН, НИОХ им. Н.Б. Ворожцова СО РАН, ИТПМ СО РАН, ИТФ СО РАН, ИФП СО РАН, ИХБФМ СО РАН, ИХКиГ СО РАН, ИХТТМ СО РАН, ИЦиГ СО РАН, ИЯФ СО РАН.