Курс "Перспективные материалы со специальными функциями" завершает обязательную часть подготовки студентов, специализирующихся в области фундаментального материаловедения. Программа курса составлена с учетом того, что значительную часть слушателей составляют студенты 5 курса, для которых предполагается знакомство с механико-математическими и физико-химическими предметами в объеме учебных программ соответствующих дисциплин, включая курсы по материаловедению. Курс "Перспективные неорганические материалы со специальными функциями" начинается с систематики и принципов дизайна функциональных неорганических материалов. Далее следуют лекции, посвященные дисперсным и ультрадисперсным материалам, стеклообразным и аморфным материалам, синтетическим кристаллам и наноструктурам. Основную часть курса составляет рассмотрение различных функциональных неорганических материалов, включая новые поколения полупроводников, диэлектриков, магнитных и оптических материалов, твердых электролитов, высокотемпературных сверхпроводников, биоматериалов и мембран. Курс завершается лекциями, посвященными функционально градиентным, т.н. интеллектуальным и фронтальным материалам. Курс рассчитан на 36 часов аудиторных занятий и включает лекции, семинары и контрольные работы. Специфика настоящего курса предполагают, что наряду с учебными пособиями, предоставленными в списке рекомендованной литературы, студенты будут регулярно знакомиться с доступными им периодическими изданиями, включая журналы "Неорганические материалы", "Материаловедение", "Journal of Materials Chemistry", "Journal of Materials Research", Journal of Solid State Chemistry", "Ceramics International", "Advanced Materials" и "Materials Today".

2.Наносистемы
Образование новой фазы. Зародышеобразование. Спинодальный распад. Кинетика роста зародышей. Формирование ультрадисперсных систем. Кластеры. Эволюция от молекул к материалам. Кластерные серии, условия стабилизации необычных степеней окисления, устойчивость и реакционная способность при изменении кратности связи, электрон-дефицитные соединения с многоцентровой связью металл-металл. Конденсация кластерных фрагментов с образованием цепей, сеток.
Наноструктуры, нанокомпозиты и нанореакторы. Мезопористые структуры, СДГ, аэрогели. Материалы для микроэлектромеханических систем (MEMS). Традиционнные и современные технологии получения ультрадисперсных материалов (методы химической гомогенизации, неравновесные методы, методы, основанные на синергетике химического и физического воздействия, механические и физико-химические процессы диспергирования и смешения порошков.)

3. Стекло и аморфные материалы
Аморфное состояние и различные определения стекла. Термодинамика и кинетика процессов стеклования. Механизмы стеклообразования и расстекловывания в водно-солевых, солеобразующих, металлических и оксидных системах. Стеклокерамика. Эмпирические правила классификации компонентов стекол (Захариасена и пр.). Реальная структура силикатных, боратных и фосфатных стекол. Аморфные металлы и металлические стекла. Стеклоуглерод. Высокочистые стекла для световодов. Натрий-кальций-фосфатно-силикатное биостекло. Фотохромные стекла. Прозрачная стеклокерамика. Новые фосфатные стекла как герметики. Аморфные полупроводники (ксерокс). Художественное стекло. Захоронение ядерных отходов.

4. Тонкие пленки и покрытия
Особые свойства веществ в виде тонких пленок, пленка как композит. Механизмы осаждения и роста. PVD, CVD, MOCVD, IBAD, ISD, RABiTS, жидкофазная эпитаксия, золь-гель, spin-coating, технология Лэнгмюра-Блоджетт, самособирающиеся слои, графоэпитаксия. Новое в процессах получения эпитаксиальных и поликристаллических пленок металлов и сплавов, простых и сложных оксидов, синтез алмазных пленок. Новые гетероструктуры с участием пьезоэлектриков, сверхпроводящих купратов и манганитов с гиганским магнитным сопротивлением. Многослойные покрытия со специальными функциями.

5. Синтетические кристаллы
Основные характеристики кристаллического вещества: однородность, анизотропия, способность самоограняться, симметрия. Понятие "простая форма кристаллов", ее характеристики. Связь процессов кристаллизации с фазовыми диаграммами. Развитие граней кристалла: теорема Гиббса-Вульфа. Габитус кристалла с точки зрения РВС-теории. Механизмы атомно-молекулярных процессов кристаллизации. Молекулярно-кинетическая теория Косселя-Странского, спиралевидный рост кристаллов Франка-Кабрера, террасы, TPRE. Зависимости скорости роста от величины пересыщения в случае нормального роста, спирального роста (БКФ-механизм), механизма с образованием зародышей (ФКС-механизм). Дефекты кристаллов, их влияние на скорости роста граней кристаллов. Концентрационные и конвекционные потоки. Влияние симметрии среды на форму растущего кристалла (принцип Кюри). Влияние примесей на скорости роста граней кристаллов. Нестабильности фронта кристаллизации. Дендриты. Термодинамическое "огрубление" поверхности. Мезофаза, энергетические и диффузионные процессы на границе раздела. Метастабильная и лабильная зоны роста. Анизотропия роста, термодинамический и кинетический контроль. Методы получения кристаллов. Основные методы роста - спонтанная кристаллизация, Бриджмена - Стокбакера, Киррополуса, Чохральского, Вернейля, Степанова и пр., массовая кристаллизация, рост из газовой фазы и расплава, проблема роста крупных кристаллов с малой плотностью дислокаций. Новые поколения синтетических кристаллов на основе GaAs, GaN, SiC, феррогранатов и сверхпроводящих купратов щелочноземельных и редкоземельных элементов. Гидротермальный рост кварца. Вискеры. Иглы АСМ (Si). Вискеры ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8, REEBa2Cu3O7.

6. Керамика и композиты
Структура керамики. Описание, энергетические вклады поверхности, объема и пр. Классификация керамических материалов. Керамические материалы с диэлектрическими, магнитными, оптическими, химическими и ядерными функциями. Художественная керамика. Стадии получения керамики. Прессование. Методы спекания. Новые виды функциональной оксидной и бескислородной керамики как альтернативные материалы. Шликерное литье, тонкая керамическая технология. Новые процессы в формировании и спекании керамики. Пенокерамика. Трансформационное упрочнение. Перспективные керамические композиты.

7. Диэлектрики
Основные свойства диэлектриков. Важнейшие диэлектрические характеристики материалов. Кристаллические структуры основных диэлектрических материалов. Основные типы диэлектриков. Кристаллические структуры диэлектриков. Диэлектрики с нелинейными свойствами. Сегнето-, пьезо- и пироэлектрики на основе солей, сложных оксидов и оксогалогенидо, доменная структура и петля гистерезиса. Новые типы активных диэлектриков (сегнетоэлектрики-полупроводники, сегнетомагнетики.) Практическое применение диэлектриков. Устройства хранения информации на основе диэлектриков.

8. Полупроводники и светоизлучающие элементы
Основные типы полупроводниковых материалов. Определения, зонная теория, химический состав, требования, исходя из практического применения, аморфные полупроводники. Кристаллические структуры основных полупроводниковых материалов. Термоэлектрические явления. Принцип действия основных полупроводниковых устройств (диод, транзистор, фотоэлемент, СИЭ, лазер, преобразование солнечной энергии). Полупроводниковые материалы с расширенными функциональными возможностями (термисторы, магнитные полупроводники, материалы для полупроводниковых лазеров, опто- и акустоэлектроники, OLED, TFT). Основные технологические процессы в полупроводниковой технике. Гетероструктуры и сверхрешетки. Квантовые точки и их самоорганизация. Проблемы и тенденции в современной химии и технологии полупроводников. Фотонные кристаллы.

9. Суперионики
Определения. Классические суперионики (AgJ vs NaCl, -глинозем, голландит). Кристаллохимические критерии возникновения суперионного состояния твердых тел. Важнейшие типы анионных и катионных проводников на основе галогенидов, халькогенидов, пниктогенидов и фосфатов. Новые типы оксидных ионных проводников (со структурами дефектного флюорита, перовскита, браумиерита, пирохлора, фаз Ауривиллиуса и Радленсена-Поппера.) Дисперсоиды. Электронно-ионные проводники. Катодные и анодные материалы литиевых батарей (на основе кобальтитов, манганитов и никелатов лития. Материалы микробатарей кардиостимуляторов.) Протонные проводники на основе церрата бария. Применение твердых электролитов (в химических источниках тока, в сенсорных системах и гальванических цепях, предназначенных для изучения термодинамики твердофазных реакций.) Новые сульфид-ионные проводники на основе тиолантаноидатов щелочно-земельных металлов. Составление электрохимических ячеек. Мембраны.

10. Сверхпроводники
История открытия основных видов ВТСП. Особенности кристаллохимии высокотемпературных сверхпроводников, полиэдрическое описание и локальная структура. Особенности физических свойств. Теории ВТСП. Критические параметры ВТСП, слабые связи, пиннинг. Методы получения. Методы получения объемных ВТСП материалов: твердофазный синтез, кристаллизация из перитектического расплава RBa2Cu3O7-x и Bi-содержащих ВТСП, особенности микроструктуры. Методы получения тонких пленок, их структура и свойства. Рост кристаллов, кристаллизация из перитектического распада. Методы получения длинномерных ВТСП-материалов: ленты и провода в серебряной оболочке, пленки на битекстурированной металлической ленте. Пути повышения критических характеристик ВТСП-материалов: оптимизация катионного состава и содержания кислорода, текстурирование путем термической и механической обработки, создание центров пиннинга. Повышение пиннинга магнитного потока путем создания нано- и микронеоднородностей в матрице сверхпроводника, нанокомпозиты. Экзотические сверхпроводники (органические сверхпроводники, НТСП). Области применения ВТСП-материалов (устройство SQUID-магнитометра, томографа, поезда на магнитной подушке, антенн, логических элементов, промышленных длинномерных сверхпроводников, ограничителей предельно-допустимого тока, МГД-генераторов, трансформаторов).

11. Магнитные материалы
Элементы теории магнетизма. Доменная структура и петля гистерезиса (ферро, ферри-, антиферромагнетики). Важнейшие типы магнитомягких и магнитожестких материалов. Магнитные металлы и сплавы типа альнико, SmCo5 и Fe-Nd-B. Пути повышения магнитной энергии сплавов, связанные с применением термической, термомеханической или радиационной обработки. Кристаллическая структура ферромагнетиков. Магнитодиэлектрики типа ферритов со структурой шпинели, граната, магнетоплюмбита. Материалы с коллосальным магнетосопротивлением (новые магнитоактивные композиты и материалы для магнитной записи, спинтроника). Устройства записи и хранения информации на основе сегнетоэлектриков и ферромагнетиков. Магнитокалорические материалы. Магнитные жидкости. Низкоразмерные магнитные структуры (фазы Пиерлса, "лестничные" соединения).

12. Материалы для фотоники (факультативно)
Светочувствительные материалы, люминофоры, люминесценция, фотолюминисценция, пиро-, трибо-, электро-, оптоволокно, фотонные кристаллы, нелинейно-оптические кристаллы, болометры, фотоумножители, ночное видение.

13. Интерметаллиды (планируется)
Особенности формирования и структурные типы, гидридные аккумуляторы.

14. Катализаторы
Основные требования, предъявляемые к гетерогенным катализаторам. Принципы создания материалов с высокой удельной поверхностью. Нанозернистые и мезопористые системы как носители вещества-катализатора. Керамические пены как носители, аэрогели, проблема устойчивости к спеканию. Новые типы материалов для катализа, высокодисперсные оксиды металлов для каталитического горения, дожигания продуктов сгорания, халькогенидные кластеры для фотокатализа. Оксид титана в фотодеградации. Иммобилизация ферментов. Цеолиты.

15. Биоматериалы
Требования к материалам, используемым для протезирования. Классификация биокерамики по отношению к живой ткани (биоинертная, пористая, биоактивная, ресорбируемая). Керамические материалы на основе Al2O3 и ZrO2, гидроксил- и фтораппатита. Биоактивная стеклокерамика. Механизм взаимодействия биокерамики с живой тканью. Ферромагнитная и радиоактивная биокерамика для лечения злокачественных опухолей. Ультрадисперсные манганиты манганиты в термическом лечении раковых опухолей и транспрте лекарств. Керамика для протезирования зубов. Углеродная керамика для сердечного клапана. Материалы с эффектом памяти (нитинол). Углерод как материал имплантантов. Биомиметика.

16. ВМС и органические материалы (планируется)
Современные полимеры, ТТТ, дендримеры, органические аналоги, органическая и молекулярная электроника.

17. Жидкие кристаллы (планируется)
Мономеры, нематики, смектики, фазовые диаграммы, хиральные структуры, LCD - дисплей, использование жидкокристаллических матриц для получения мезопористых структур, наноматериалов и биосенсоров.

18. Материалы со свойствами, определяемыми границами раздела (факультативно)
Фронтальные материалы. Интеллектуальные материалы. Композитные сенсоры и актуаторы. Гетерофазная электрокерамика и новые фоторезистивные материалы. Градиентные материалы. Природные модели функционально градиентных материалов. Структура и свойства градиентных материалов. Процессы получения и перспективы использования функционально градиентных материалов.

19. Заключение.
Перспективы практического применения материалов

Программа составлена
акад. Третьяковым Ю.Д.
член-корр. РАН Гудилиным Е.А.