Ми у соціальних мережах

Фізика – наука, що вивчає найбільш загальні закономірності явищ природи, властивості, будову та рух матерії.

Фізика наших днів нараховує близько двох десятків важливих напрямків. На їх стиках створюються нові галузі дослідження, виникають цікаві проблеми і задачі. Експериментальні і теоретичні методи фізики все частіше застосовуються в таких сферах, як економіка, соціологія, екологія, психологія. Фізика повільно перетворюється в універсальну мову цих наук і з часом буде виконувати ту роль, яку сьогодні відіграє математика у фізичних дослідженнях.

Про необмежені можливості фізики писав видатний фізик Л.Д. Ландау „Сучасна фізика спроможна вивчати властивості об’єктів та явищ, що знаходяться за межами людського порозуміння”.

На кафедрах загальної та теоретичної фізики, загальної та експериментальної фізики, загальної фізики та фізики твердого тіла працюють всесвітньо відомі вчені: академіки НАН України В.Г. Бар’яхтар, В.М.Локтєв, М.Я. Валах, член-кор. АПН Ю.І. Горобець та інші.

Кожен день, натискаючи на кнопку свого комп'ютера ми навіть не уявляємо, що в цей момент починають працювати тисячі транзисторів, загоряються світодіоди, перемагнічуються домени, відбуваються мільйони енергетичних переходів в молекулах. За кожною самою повсякденною річчю криється цілий світ і десятки років роботи вчених фізиків. Структура і властивості твердих тіл, їх реакція на різні впливи, надпровідність, нанотехнології та безліч інших напрямків - все це завдання сучасної фізики. Вона - один з тих стовпів, на яких тримається сьогоденне технологічне суспільство.

Чи знаєте ви, що якщо додати металеві наночастинки у фарбу можна отримати палаючі на сонці кольори вітражів або антирадарні покриття стелс, що крихітні квантові точки можна використовувати як зонди проти ракових клітин, що якщо на металевій поверхні утворити наноструктури, то електричне поле поблизу них посилиться в мільярди разів, що ті ж властивості речовини, які викликають гру кольорів в опалі можна використовувати для зупинки світла і створення в майбутньому оптичних комп'ютерів?

І все це лише деякі напрямки фізики твердого тіла. 

Світ жодної миті не стоїть на місці, і фундаментальна підготовка з фізики дасть вам можливість бути напохваті найсучасніших ідей і стати творцями того, про що раніше можна було лише читати у творах фантастів. Ця наука відкриває вікно у майбутнє. Вона дозволяє людям творити дива.

Ось лише декілька з новітніх напрямків нанотехнологій, які досліджуються на фізико-математичному факультеті.

- Математичне моделювання росту наночастинок

Важко переоцінити, наскільки широке коло теоретичних та прикладних задач, розв’язання яких є неможливим традиційними методами, можна вирішити завдяки математичному моделюванню. Наприклад, як дослідити синтез наночастинок у багатокомпонентному розчині, адже в цьому процесі приймають участь мільйони вільних та зв’язаних атомів? Курс „Сучасні питання фізики твердого тіла” дасть відповідь на це питання. Більш того, студенти матимуть змогу навчитися контролювати ріст наночастинок! Адже відомо, що наночастинки одного і того ж матеріалу (Fe, Ni, Au, Pt, Ag) можуть мати сферичну, кубічну, тетраедральну, ікосаедральну, гексагональну і т.д., яка визначає їх каталітичні, сенсорні, оптичні властивості. Еволюція форми НЧ може бути контрольована за допомогою зміни температури системи і концентрації вільних атомів в середовищі, що оточує зростаючий кластер. 

Розроблені групою проф.. В.М. Горшкова  алгоритми чисельного моделювання дифузійного росту наночастинок є тривимірними на відміну від більшості попередніх досліджень закордонних колег, де проводилось лише 2D моделювання, яке не в змозі визначити закономірності процесу в реальних системах. 3D модель дифузійного росту НЧ, дозволяє адекватно відтворити та дослідити реальні системи. Особливості створених авторами алгоритмів чисельного моделювання є такими, що можливим стає дослідження систем, які складаються з кількох мільйонів вільних та зв’язаних атомів. Це на декілька порядків перевищує розміри систем частинок, моделювання яких проводилось у роботах попередників, та не має аналогів у світі.

Дослідження проводяться відповідно до договору про співпрацю НТУУ „КПІ” з Center of Advance Material Processing (CAMP) Clarkson University (USA).

Крім того, методи математичного моделювання дифузійного росту наночастинок, якими студенти оволодіють на фізико-математичному факультеті, дають перспективу вирішення цілого ряду задач сучасних нанотехнологій, актуальних для широкого кола науки і техніки: 

- Оптимізація процесу спікання НЧ при формуванні провідних доріжок

Яких меж може досягти мініатюризація мікросхем? Передові технології сьогодення починають використовувати металеві наночастики для формування провідних доріжок мікроелектронних модулів! Проте механізми утворення перемичок між сусідніми наночастинками (НЧ), які в початковому стані розділені полімерним середовищем, ставлять чимало цікавих теоретичних питань для дослідників, і долучитись до вирішення задач оптимізації спікання наночастинок при формуванні провідних доріжок мають змогу студенти фізико-математичного факультету. Від розмірів НЧ, зазору між ними, типу кристалічних поверхонь, обернених одна до одної, та температури системи залежить стійкість утворених перемичок. Малі частинки стимулюють виникнення контактів між великими наночастинками. 

Але такі перемички можуть руйнуватися з часом, якщо радіус меншої частинки занадто малий. Як же врахувати таке велике коло параметрів   і визначити оптимальні розподіли НЧ за розміром та оптимальні температурні режими для досягнення максимальної провідності доріжок при їх мінімальному середньому перетині? Вирішення цієї задачі стає можливим завдяки методам математичного моделювання дифузійного росту наночастинок, які розробляються на факультеті під керівництвом проф. В.М. Горшкова..

Приклад розрахунку спікання великих наночастинок через малу.

    Кращими каталізаторами багатьох реакцій у хімічній промисловості, при синтезі вітамінів та фармацевтичних препаратів, в нафтопереробній промисловості, в автомобільній галузі для допалювання та знешкодження вихлопних газів є платинові наночастинки. Настільки ж актуальною є проблема збільшення їх ефективності та зниження вартості (в тому числі, витрат Pt). Нещодавно було отримано платинові НЧ з рекордними каталітичними показниками, однак, це є лише перший крок до виробництва дешевих платинових каталізаторів. Такі НЧ з розміром від 50 до 200 нм занадто великі для ефективного використання, і більша частка матеріалу Pt знаходиться в об’ємі, не приймаючі участі в каталізі. 

    Тому для дослідників постає  задача – зменшити розмір НЧ нижче 5 нм (що є прийнятним для сучасних каталітичних установок) з формуванням на них граней типу (111), які мають надзвичайно високу каталітичну активність. Вирішення її знову стає можливим завдяки чисельному моделюванню механізмів нерівноважного росту кластерів платини як на поверхні плоских підкладок, так і на поверхні великих НЧ. Ведеться пошук режимів нерівноважного але надійно керованого синтезу НЧ Pt з тим, щоб досягти максимального співвідношення числа атомів на поверхнях типу (111) до загального числа атомів в НЧ.

    Ще одна цікава задача – в якості “підкладки” використовувати велику наночастинку нікелю. Якщо підкладку-наночастинку взяти золоту, то з часом нанокластери платини (на поверхні золота) заповнюються атомами золота, знижаючи їх  каталітичну активність. Цього ефекту можна запобігти, якщо вдасться сформувати “нанобашти” платини на поверхні нікелю, але для цього необхідно дослідити  умови для стійкості такого процесу.

Високоактивні плівкові фотокаталізатори на основі напівпровідників, модифікованих наночастинками металів

Нові напівпровідникові матеріали інколи викликають справжній подив. Так, нещодавно відкриті покриття, які мають антибактеріальну активність та фотокаталітичні властивості, і крім того здатні до самоочищення під дією сонячного світла та побутового освітлення ртутними лампами. Секрет у тому, що такі напівпровідникові (TiO2, ZnO та ін.) та діелектричні (SiO2, Al2O3 та ін.) плівки модифіковані металевими наночастиками (Ag, Au, Сu), нанесеними на поверхню або інкорпорованими в об`єм. Металеві наночастинки суттєво підвищують ефективність розділення фотогенерованих зарядів та зменшують швидкість їх рекомбінації, що веде до поліпшення фотокаталітичної активності. Майбутнє таких матеріалів - у важливих для захисту довкілля процесах очищення від органічних та неорганічних забрудників, у фотокаталізі, при виготовленні електронних обладнань, хімічних сенсорів, захисних покрить, для підсиленого поверхнею комбінаційного розсіяння, а також у виробництві “гігієнічних поверхонь”.

Фізико-математичний факультет здійснює підготовку фахівців з фундаментальних та прикладних проблем у різних галузях сучасної фізики та математики, від аеро- та гідродинаміки до фізики атомного ядра та елементарних частинок – з використанням методів математичного та комп’ютерного моделювання, підготовку фахівців з аналізу та прогнозування економічної діяльності суб’єктів ринкової економіки, побудови та розрахунку математичних моделей комерційних і фінансових структур.

Студенти мають можливість оволодіти комп’ютерним моделюванням фізичних процесів; числовим моделюванням; методами наукового експерименту; методами обчислювальної фізики, синергетики та теорії катастроф; теорією самоорганізації складних систем та динамічного хаосу; теорією нелінійних явищ; вивчити моделі динаміки фінансових активів і показників для дискретного та неперервного часу; ймовірностно-статистичні ідеї та методи стохастичного числення під час аналізу ринкового ризику; проблеми розробки математично-алгоритмічного забезпечення інформаційних систем страхування.

Навчальна та наукова робота факультету проводиться в тісному співробітництві з Інститутами НАНУ та міжнародними науково дослідницькими університетами.

Ми навчаємо тих, хто з роками прославить вітчизняну науку та зробить внесок до світової.