Создание кафедры лазерной химии

Создание лазеров стимулировало развитие научных исследований по изучению взаимодействий лазерного излучения с веществом во многих областях знаний. Широкое использование лазеров в химии началось в 60-х годах XX века, когда в распоряжении исследователей стали доступны лазеры, перестраиваемые по частоте. Применение таких лазеров дало возможность селективно возбуждать атомы и молекулы. Стало возможно направлять энергию активации химической реакции на различные степени свободы исходных молекул; стало возможно увеличить энергию возбуждение облучаемой химической связи до такой степени, что эта связь вынуждена разорваться, в результате происходит диссоциация молекулы по избранной связи. Таким образом стало возможно управлять путем реакции.

Уникальными оказались свойства лазерного излучения и для задач химической анализа и диагностики. Лазеры позволили определять содержание единичных атомов в веществе, изучать строение промежуточных продуктов быстротекущих реакций и эффективно решать многие другие насущные диагностические проблемы.

 Число публикаций, посвященных применению лазеров в химии, возрастало лавинообразно. Появилась новая область знаний – лазерная химия.

 На Химическом факультете МГУ работы по применению лазеров в химии были начаты в 1970-е годы на пяти кафедрах:

• неорганической химии (лазерное инициирование твердофазных реакции, лазерная термохимия);
• физической химии (взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом в твердой и жидкой фазе, изучение кинетики гомогенных реакций с использованием лазерного нагрева, использование лазерного излучения для изучения реакций в молекулярных пучках, лазерно-химические реакции адсорбированных молекул, создание активных сред для лазеров на основе химических реакций с участием озона);
• химической кинетики (структура и свойства лазерных красителей);
• аналитической химии (высокочувствительный лазерный атомно-ионизационный метод анализа состава вещества);
• органической химии (превращение органических молекул под действием лазерного излучения).

С 1976-го по 1991-й год на Химфаке работал научный семинар «Лазеры в химии» под руководством профессора Ю.Я. Кузякова, в котором принимали участие сотрудники Химического и Физического факультетов МГУ, а также сотрудники ряда академических институтов и научно-производственных объединений СССР. Основной целью семинара было повышение эффективности исследований новых явлений,  возникающих в результате  взаимодействия лазерного излучения с веществом. Семинар способствовал повышению эффективности как экспериментальных исследований, так и  развития теории взаимодействия лазерного излучения с атомами и молекулами.

Число выпускников и сотрудников Химического факультета, использующих лазерное излучение в своих исследованиях, заметно увеличилось. Стала очевидной необходимость в организационной структуре, которая должна была бы способствовать, во-первых, развитию научных исследований по применению лазеров в химии, и во-вторых, подготовке специалистов для работы в новой области науки, получившей название лазерной химии.

В 1988 году решением ученого совета Химфака, ученого совета МГУ и коллегии Министерства Высшего Образования на Химфаке МГУ была создана кафедра лазерной химии. Первым ее заведующим был избран профессор Химического факультета МГУ, доктор химических наук Юрий Яковлевич Кузяков. Вновь созданная кафедра насчитывала 33 сотрудника, в  их числе профессор, доцент и ассистент, а также научные сотрудники, инженерны, техники и лаборанты. Структуру кафедры лазерной химии составили три лаборатории и студенческий практикум.

История лаборатории лазерного синтеза

Лабораторию возглавил кандидат химических наук Феликс Никифорович Путилин. Научные исследования были посвящены изучению процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом в твердой, жидкой и газовой фазе.

В лаборатории выполнялись научные исследования по изучению многофотонной диссоциации (МФД) молекул  предельных спиртов С_nН_2n-1OH (n от 1 до 5), имеющих полосу поглощения по ОН-связи в области генерации мощного импульсного лазера инфракрасного диапазона. Кинетика  диссоциации изучалась по спектрам испускания молекул С₂ и ОН, являющихся продуктами МФД. Было показано, что времена возникновения молекул С₂ и ОН существенно не отличаются для рассмотренного ряда спиртов. Данный цикл работ подтвердил гипотезу о том, что в молекуле при многофотонном поглощении излучения, частота которого совпадает с частотой колебания определенной связи, происходит быстрое внутримолекулярное перераспределение поглощенной энергии по всем связям; и диссоциация молекулы осуществляется по слабейшей связи.

Одной из основных задач успешного проведения селективных лазеро-химических реакций  под воздействием лазеров инфракрасного диапазона является нахождение условий, при которых  релаксация колебательной энергии селективно возбужденных молекул была бы затруднена. Для лазеро-химического синтеза ряда практически важных  фторорганических соединений был проведен цикл исследований, посвященных определению скоростей колебательно-поступательной релаксации высоковозбужденных фторорганических молекул. Разработанные методики синтеза оказались конкурентоспособны с традиционными плазмохимическими. Фундаментальные исследования закономерностей колебательно-поступательной релаксации фторорганических соединений позволили разработать оптоакустический газоанализатор для измерения концентраций ряда  соединений на уровне ПДК. Прибор был внедрен на двух химических заводах.

Возможности метода лазерной абляции были использованы для синтеза различных по своей природе и физическим свойствам материалам. Комплексом методов изучены состав, реальные структуры, электрофизические и сенсорные свойства синтезированных пленок диоксида олова. Особое внимание уделено влиянию условий лазерного синтеза и концентрации введенных легирующих металлов (Сu, Pb, Pd) на размер кристаллитов, сопротивление и сенсорные параметры материала по отношению к следовым концентрациям сероводорода и других примесей в воздухе.

С целью получения новых органических веществ в лаборатории исследовались механизмы лазерно-индуцированных реакций (2+2)-циклоприсоединения.

История лаборатории лазерной диагностики

Заведующим лабораторией стал кандидат химических наук Никита Борисович Зоров. Основное направление научно-исследовательской деятельности лаборатории – создание и разработка новых лазерные методов анализа химических веществ и материалов.

Вместе  с профессором Ю. Я. Кузяковым  Сотрудниками лаборатории был предложен и реализован на практике новый лазерный сверхчувствительный атомно-ионизационный (АИ) метод анализа состава веществ. Метод основан на селективном возбуждении атомов и молекул, в состав которых входит определяемый элемент, с последующей ионизацией возбужденных молекул и детектировании образующихся ионов. Были достигнуты пределы обнаружения некоторых элементов, равные нескольким пикограмам их содержания в 1 мл воды  Кроме выведения в пламя горелки водных растворов изучаемых веществ использовались продукты лазерной абляции твердых веществ  для введения их в пламя с последующим определением их состава лазерным АИ-методом. Для изучения процессов абляции применялись методы оптоакустической спектроскопии, масс-спектрометрии, лазерной флуоресцентной и ионизационной спектрометрии. На протяжении ряда лет совместно с Институтом физики университета города Майнц (Германия) проводились работы по масс-спектрометрическому изучению процессов образования кластеров переходных металлов и углерода под действием лазеров.

Получили развитие исследования в области высокочувствительных лазерных методов детектирования применительно к высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

В лаборатории проводились исследования механизмов лазерного испарения углеродсодержащих материалов, изучение углеродных кластеров, образующихся в плазме лазерного факела; а также работы по диагностике процесса лазеро-химического синтеза пленок кристаллического нитрида углерода — материала, обладающего исключительной твердостью и уникальными электрическими характеристиками. Совместно с кафедрой химии и физики высоких давлений проводились  работы по изучению механизмов получения новых материалов и использованию полученных пленок кристаллического нитрида углерода в качестве «затравок» для последующего термобарического синтеза.

История лаборатория лазерной спектроскопии

Лабораторию возглавил профессор Юрий Яковлевич Кузяков. Основным направлением научно-исследовательской деятельности лаборатории стало изучение строения двухатомных молекул и динамики внутримолекулярной энергии.

Был разработан лазерный внутрирезонаторный метод получения электронно-колебательно-вращательных (ЭКВ) спектров короткоживущих свободных радикалов в газовой фазе. Кювета с исследуемым веществом размещается внутри резонатора широкополосного лазера на красителях. Селективные потери в спектре генерации лазера, обусловленные ЭКВ- переходами в исследуемых молекулах, регистрировались с помощью четырехметрового дифракционного спектрографа. Высокая чувствительность детектирования спектра поглощения исследуемых молекул обеспечивается многократным прохождением лазерного излучения через кювету, а также возникающей конкуренцией мод в спектре генерации. Временное разрешение метода составляет величину порядка 10^—5-10^—6 секунд. Метод успешно применен для изучения спектров и структуры монооксидов, мононитридов и моногалогенидов переходных металлов IV, V и VI групп Периодической системы Д.И. Менделеева.

Лазерный флуоресцентный метод применен для измерения времен жизни возбужденных состояний свободных радикалов с использованием ЭКВ-спектров, а также для измерения спектров и времен жизни электронных состояний монооксидов II группы Периодической системы.

Для анализа структуры и динамики возбужденных состояний двухатомных молекул предложена методика глобального депертурбационного анализа (ГДА), основанная на построении согласованных полуэмпирических моделей совместного описания и обработки энергетических, радиационных, электрических и магнитных характеристик. Метод основан на построении единых квантовомеханических моделей. Особое внимание уделено развитию аналитических методов описания энергетических и радиационных свойств высоковозбужденных pидберговских состояний в рамках многоканальной теории дефекта, позволяющей учесть большинство внутримолекулярных взаимодействий без явного расчета соответствующих неадиабатических матричных элементов.

Был создан банк данных, в рамках которого решается задача формирования и поддержания периодически обновляемой базы Справочных данных по радиационным и энергетическим параметрам двухатомных молекул (РАДЭН). На базе банка РАДЭН создана система рекомендуемых данных, включающая рекомендуемые значения спектроскопических констант и радиационных параметров для более чем 300 молекулярных систем. Банк создан для информационного обеспечения специалистов, использующих излучение, в том числе и лазерное, при решении задач в различных областях науки и техники (астро- и геофизика, радиационная газовая динамика, плазмо- и фотохимия, химическая кинетика, квантовая химия, квантовая электроника и др.).