Целями освоения дисциплины «Английский язык» являются:
- обеспечить выпускников магистратуры владением иностранным языком как средством делового общения для решения профессиональных задач в соответствии с видами профессиональной деятельности, предусмотренных ФГОС ВО по данному направлению подготовки;
- повышение исходного уровня владения иностранным языком, достигнутого на предыдущей ступени образования, и формирование способности и готовности к межкультурной коммуникации в профессиональной сфере;
- повышение уровня учебной автономии, способности к непрерывному самообразованию, к работе с мультимедийными программами, электронными словарями, иноязычными ресурсами сети Интернет с целью развития умения самостоятельно приобретать знания для осуществления профессиональной коммуникации на иностранном языке.
Общая трудоемкость дисциплины: 4 зачетных единиц.
Форма промежуточной аттестации: экзамен.
Термодинамика и основы статистической физики
Автор программы: доцент, д. ф.-м. н., Синицын В.В.
Цель дисциплины: дать студенту систематическое изложение статистической физики вместе с термодинамикой, и обучить соответствующим методам, основанных на статистическом и феноменологическом рассмотрении различных физических явлений, включая наносистемы и системы с низкой размерностью.
Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления, умения ставить и решать задачи по статистической физике и термодинамике сложных систем, понимание общих термодинамических и статистических закономерностей макроскопических и наносистем, свободно владеть основными определениями и терминологией в рамках данного курса.
Краткое содержание дисциплины:
| 1 | Основные положения термодинамики. Первый закон термодинамики, второй закон термодинамики, основное уравнение термодинамики для равновесных процессов, энтропии, парадокс Гиббса. |
2 |
Второе начало термодинамики для неравновесных процессов. Пределы применимости второго закона термодинамики. Третий закон термодинамики. Следствия третьего закона термодинамики. Вычисление энтропии и поведение теплоемкостей при Т→0 К. |
3 |
Термодинамические потенциалы. Преобразование Лежандра. Якобианы. Соотношения Максвелла. Термодинамические системы. |
4 |
Условия термодинамического равновесия и устойчивости. Условия равновесия двухфазной однокомпонентной системы. Принцип Ле Шателье – Брауна. |
5 |
Термодинамика гальванических и топливных элементов. Охлаждение газа при обратимом и необратимом адиабатных расширениях. Эффект Джоуля—Томсона. |
6 |
Основные уравнения термодинамики для диэлектриков. Уравнения систем в магнитном поле. |
7 |
Равновесие гомогенной системы. Равновесие гетерогенной системы. Правило фаз Гиббса. Тройная точка. Равновесие бинарных систем. Классификация фазовых переходов. Критические и закритические явления. |
8 |
Термодинамические свойства переохлажденной воды. Теория второй критической точки воды на основе нанокластерного модели. Аномалии удельного объема. Теплоемкости. К.Т.Р. и сжимаемости для переохлажденной воды. |
9 |
Теория Ландау фазовых переходов второго рода. Термодинамический потенциал, энтропия, теплоемкость. |
10 |
Фазовые переходы второго рода в сегнетоэлектриках, суперионные фазовые переходы. |
11 |
Локальное равновесие и основное уравнение термодинамики для неравновесных процессов. Уравнения баланса и законы сохранения. Термодинамика линейных необратимых процессов. Термоэлектрические явления. |
12 |
Распределение Гиббса. Распределение Максвелла. Свободная энергия в распределении Гиббса. Распределение Гиббса с переменным числом частиц. Статистическое определение температуры наночастицы. |
13 |
Распределение Больцмана, свободная энергия больцмановского идеального газа, статистическое уравнение состояния идеального газа, уравнение Больцмана, кинетическая теория, статистика Больцмана, дефекты решетки. |
14 |
Распределение Ферми, вырожденный электронный газ, теплоёмкость электронного газа. Особенности одномерного и двумерного ферми-газа. |
15 |
Распределение Бозе, вырожденный Бозе-газ, конденсация Бозе – Эйнштейна, теплоёмкость кристаллической решетки, классическая модель для вычисления энергии решетки, модель Эйнштейна, модель Дебая (низкие температуры), флуктуации энергии. |
Общая трудоемкость дисциплины: 4 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: экзамен, зачет.
Автор программы: д. ф.-м. н., Антонов В.Е.
Целью дисциплины является дать слушателям систематическое описание физических свойств кристаллов, допускающих тензорное представление, термодинамических соотношений между этими свойствами и их связи с точечной группой симметрии кристалла.
Задачи: владеть и уметь использовать основные определения и закономерности, излагаемые в рамках данного курса, по таким разделам как: пьезоэлектричество, упругость, явления переноса.
Краткое содержание дисциплины:
| 1 | Принцип Неймана. Точечные группы симметрии. Ограничения, накладываемые трансляционной симметрией на порядок поворотных осей. Стереогрфическая проекция. Четыре основных теоремы об умножении операций симметрии. Пример некоммутативности умножения. Теорема Эйлера и вытекающие из нее ограничения на сочетания осей симметрии. |
2 |
Кристаллические категории, системы и сингонии. Элементарный параллелепипед, стандартные обозначения и установки. Символы Германа-Могена. Обозначения точечных групп симметрии. Порождающие, координатные и диагональные элементы симметрии. Вывод и описание 32 точечных групп симметрии. Группы Кюри. |
3 |
Скаляры, векторы и тензоры второго ранга. Ортогональные преобразования. Различие между преобразованиями матрицы (aij) и тензора [Tij]. Симметричные и антисимметричные тензоры. Характеристическая поверхность второго порядка. Приведение к главным осям. |
4 |
Влияние симметрии кристаллов на их свойства, описываемые тензорами второго ранга. Величина, характеризующая свойство в данном направлении. Физические свойства кристалла и геометрические свойства характеристической поверхности: длина радиус-вектора, свойство радиус-вектора и нормали. |
5 |
Ортогональные преобразования и тензоры второго ранга. Соотношения между направляющими косинусами aij. Переходы между правой и левой системой координат и значение детерминанта матрицы преобразования |aij|. Векторное произведение. Полярные и аксиальные векторы. Главные оси тензора. Построение окружности Мора: поворот вокруг главных осей, поворот вокруг произвольной оси. Эллипсоид значений тензора. |
6 |
Парамагнитная и диамагнитная восприимчивость. Энергия намагничивания кристалла. Момент сил, действующий на кристалл в однородном магнитном поле. Магнитная восприимчивость порошка. |
7 |
Электрическая поляризация. Различия между электрической поляризацией и намагниченностью. Соотношение между D, E и P в плоском конденсаторе. Энергия поляризованного кристалла. Электростатическое поле в однородном анизотропном диэлектрике. Пироэлектричество. |
8 |
Тензор напряжений. Понятие напряжения. Доказательство того, что компоненты напряжения σij образуют тензор. Поверхность напряжений. Частные формы тензора напряжений. Различие между тензором напряжений и тензорами, описывающими свойства кристалла. |
9 |
Тензор деформаций. Одномерная, двумерная и трехмерная деформация. Особенности однородной трехмерной деформации. Обобщение на случай неоднородной деформации. Деформация и симметрия кристалла. Тепловое расширение. |
10 |
Пьезоэлектричество. Тензоры третьего ранга. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Симметрия тензора пьезоэлектрических модулей и число независимых модулей. Матричные обозначения. Уменьшение числа независимых модулей из-за ограничений, налагаемых симметрией кристалла. Метод Фуми. Характеристические поверхности. |
11 |
Упругость. Тензоры четвертого ранга. Закон Гука. Матричные обозначения. Энергия деформированного кристалла. Дополнительные ограничения, налагаемые симметрией кристалла на упругие константы. Теорема Германа. Соотношения между напряжениями и деформациями для изотропных материалов. |
12 |
Термодинамика равновесных свойств кристаллов. |
13 |
Процессы переноса. Тензор [kij] коэффициентов теплопроводности Тепловой поток через плоскую пластинку, вдоль длинного стержня и от точечного источника. Электропроводность. О симметричности тензора [kij]. Термодинамическое рассмотрение. Принцип Онзагера. |
Общая трудоемкость дисциплины: 2 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: зачет с оценкой.
Нано-биотехнологии для энергетики, оптоэлектроники и биомедицины
Автор программы: доцент, к. ф.-м. н., Классен Н.В.
Цель дисциплины: дать студенту систематическое изложение методов формирования наноструктур из неорганических и органических компонентов,, особенностей физических и химических свойств композиционных нано-биоструктур по сравнению с объемными материалами и наиболее перспективных способов их практических применений, а также обучить новым подходам к созданию материалов, конструкций, приборов и устройств на основе нано-био-технологий.
Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления применительно к наномасштабным объектам, умения ставить и решать задачи по анализу явлений в наноструктурах неорганического, органического и смешанного составов и разработке методик, материалов, конструкций, устройств и приборов на основе нано-био-технологий.
Краткое содержание дисциплины:
1 |
Инженерные вызовы 21 века со стороны энергетики, информационной техники, оптоэлектроники и биомедицины. Необходимость увеличения производства электроэнергии. Потребности разработки альтернативных направлений энергетики и повышении экологической чистоты тепловых и атомных электростанций. Ограниченность перспектив полупроводниковой техники. Перспективы фотоэлектрических преобразователей, светодиодов, оптоволоконной связи, и оптоэлектронной вычислительной техники на базе нано-био-технологий. Проблемы биомедицины по части онкологии, борьбы с инфекциями, генетическими заболеваниями, репарации поврежденных органов, экологических опасностей и новые подходы к этим проблемам на базе нано- био-технологий. |
2 |
Недостатки тепловой электроэнергетики: низкий КПД, загрязнение атмосферы. Неизбежность использования теплоэнергетики в 21 веке. Пути улучшения параметров теплоэнергетики: повышение температуры в камере сгорания, каталитическая генерация сингаза и двухступенчатое использование тепловой энергии в паровой и газовой турбине; улучшение теплоотдачи в теплообменниках; утилизация углекислого газа с каталитическим синтезом метанола. Возможности решения этих задач с помощью нано-био-технологий. |
3 |
Недостатки атомной энергетики: низкий КПД, загрязнение среды радиоактивными отходами, трудоемкость получения обогащенного урана. Роль нано-био-технологий в решении этих проблем. Повышение эффективности теплообмена; прямое преобразование радиации в электричество; разработка радиационно – прочных конструкционных наноматериалов; создание быстродействующих радиационных детекторов для прецизионного регулирования атомных реакторов, совершенствование реакторов на быстрых нейтронах, экранирующая и восстанавливающая защита живых систем от радиационных воздействий. |
4 |
Солнечная энергетика как альтернатива тепловой и атомной. Возможности решения проблем снижения ее себестоимости, повышения КПД, ослабления зависимости от сезонных и суточных условий через нано- и био- технологии. Использование особенностей фотоэлектрических процессов в наноструктурах, использование наноструктурных суперконденсаторов и их комбинаций с солнечными батареями, применение органических и биоорганических компонентов в солнечных преобразователях. Повышение радиационной прочности органики наночастицами. |
5 |
Перспективы и проблемы термоядерной энергетики. Необходимость разработки нового поколения жаропрочных и радиационно – стойких материалов. Использование нанострукутрных материалов для этой цели. Создание наноструктурированных сенсоров для контроля работы термоядерного реактора и его оптимизированного управления. Перспективы создания прямых преобразователей нейтронного потока в электричество на комбинированных структурах из органических молекул и наночастиц. |
6 |
Развитие водородной энергетики и возможности повышения ее технико-экономических параметров с помощью нанотехнологий (повышение удельной мощности топливных элементов за счет усиления диффузионных потоков рабочих газов, каталитическая генерация метана и метанола из биокомпонентов и двуокиси углерода на наноструктурах и др.). |
7 |
Ограниченность возможностей дальнейшей миниатюризации микроэлектронной техники для неорганических полупроводниках. Принципиальные возможности формирования логических и других компонентов микросхем на органических и биоорганических молекулах. Перспективы перехода от передачи сигналов переносом электрического заряда к оптической связи. Для повышения быстродействия и устранения перегрева. Способы управления фотонными потоками в нано- и биоструктурах с помощью фотонных кристаллов и метаматериалов. Использование этих способов в оптоволоконной связи и компьютерной технике. |
8 |
Перспективы использования биомолекулярной элементной базы в вычислительных устройствах. Возможности формирования запоминающих и передающих устройств на ДНК, белках, нейронах и других биокомпонентах. |
9 |
Перспективы формирования квантовых компьютеров на неорганических наноструктурах. Использование электронных квантовых точек и квантовых ям, спинтроники, джозефсоновских сверхпроводящих структур. Сопоставление перспектив оптических и квантовых компьютеров на неорганических и биоорганических компонентах. |
10 |
Формирование рентгеновской микроскопики неорганических и органических систем на наноструктурах. Возможности отслеживания передачи сигналов по нейронным системам. Перспективы расшифровки принципов работы рецепторных, управляющих и логических нейросистем с помощью рентгеновской, электрической и оптической микроскопики их функционирования. Современные представления о биологических процессах обработки информации. ДНК-компьютинг. |
11 |
Актуальность развития биосенсорики биомедицины и экологии путем раннего выявления инфекционных и неинфекционных патогенов в организме и окружающей среде. Развитие биосенсоров на наноструктрах. Использование фотонных и электронных нанорезонаторов для биосенсорики одиночных биомолекул. |
12 |
Развитие биомедицины для улучшения качества жизни в 21-м веке. Перспективы подхода к анализу живых организмов как инженерных объектов на основе накопленных знаний о структуре и свойствах нано- и биосистем, прогресса диагностической и компьютерной техники. Возможности преобразования медицины в инженерную науку. Исследования структуры и свойств компонентов живых систем (белков, ДНК, хитозана, неорганических нанокомпонентов и др.) как основа биомедицинской инженерии. Прогресс в диагностике живых систем (рентгеноскопия, томография, электроскопия и др.) как следствие получения новых знаний о природе материалов и разработки нано-био-технологий. Перспективы новых методик функциональной диагностики и инженерной терапии живых организмов. |
13 |
Развитие материаловедения компонентов живых систем. Кристаллизация белков и ДНК в композициях с хитозаном и неорганическими наночастицами, Исследования свойств биокомпонентов как фактор прогресса в биомедицине и применений нанобиоструктур в технологиях новых приборов и устройств. Моделирование и изучение организмов как электромеханических систем. Перспективы использования знаний об электромеханических процессах в живых системах для разработки устройств альтернативной энергетики, а также систем переработки и передачи информации. |
14 |
Развитие знаний об электрических процессах в живых системах. Новые экспериментальные данные о пьезоэлектрических, сегнетоэлектрических и электропроводящих свойствах ДНК, белков и других биокомпонентов живых систем. Роль электрических процессов в функционировании организма.. Низкочастотные электрические резонансы как фактор обмена информацией между удаленными биокомпонентами и способ регулирования их морфологии и структуры. Представление об организме как мультирезонансной системе. Возможности разработки новых диагностических и терапевтических методик на основе низкочастотных электрических резонансов в биокомпонентах организма. |
15 |
Исследования возможностей восстановления разрушенных или изношенных биотканей действующего организма управляемым внутритканевым формированием биомолекулярных из композиций биомолекул и наночастиц с помощью регулируемых электрических, акустических и лазерных воздействий (кости, суставы, хрящевые прослойки,.мышцы, сухожилия и др.). Перспективы корректирующих оптических и электрических воздействий на нейросистему. |
Общая трудоемкость дисциплины: 2 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: зачет.
Автор программы: доцент, к. ф.-м. н., Классен Н.В.
Цель дисциплины: дать студенту систематическое изложение методов формирования наноструктур, особенностей их физических и химических свойств по сравнению с объемными материалами, наиболее перспективных способов их практических применений, а также обучить принципиально новым подходам к созданию материалов, конструкций, приборов и устройств на основе нанотехнологий.
Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления применительно к наномасштабным объектам, умения ставить и решать задачи по анализу явлений в наноструктурах и разработке методик, материалов, конструкций, устройств и приборов на основе нанотехнологий.
Краткое содержание дисциплины:
| 1 | Предмет «Нанотехнологии» как междисциплинарная область знаний, совмещающая достижения физики конденсированного состояния, физики поверхности, химии коллоидных систем, биофизики, биохимии, оптики и спектроскопии, микроэлектроники. История нанотехнологий и экологическая востребованность перехода от «серых» технологий к «зеленым». |
2 |
Два подхода к формированию неорганических наномасштабных структур: сборка от отдельных атомов к молекулам, их кластерам и агломератам и от монолитных макроматериалов диспергированием до отдельных наночастиц. Газофазный и плазмохимический синтез, осаждение из коллоидных растворов, термодиффузия, терморазложение и термовосстановаление, механосинтез. |
3 |
Детонационный и электровзрывной синтез, синтез оксидов в жидких металлах, саморастпространяющийся высокотемпературный синтез. Использование термодиффузии, электрического взрыва, лазерной абляции, кавитационного диспергирования. |
4 |
Получение компактных нанокристаллических материалов. Осаждение на подложку, кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация, превращения порядок – беспорядок, локальное пластическое деформирование приповерхностных слоев. |
5 |
Формирование наноразмерных жидких и твердых композиций из неорганических наночастиц, органических и биоорганических мономеров и полимеров. Образование мицелл, глобул, наноцепочек, углеродных фуллеренов и нанотрубок как полых, так и с различными видами |
6 |
Способы формирования тонких пленок и наночастиц на подложках по типу квантовых ям и квантовых точек. Использование биополимеров как темплатов и стабилизаторов для формирования одномерных, двумерных и трехмерных неорганических наноструктур. |
7 |
Оптическая, просвечивающая и сканирующая электронные микроскопии в диагностике наноструктур. Новые виды сканирующей микроскопии (атомно-силовая, туннельная, ближнепольная оптическая). Использование рентгеновской дифракции, фотокрреляционной спектроскопии и седиментации для определения размеров наночастиц. |
8 |
Особенности термодинамических, химических и механических свойств нанодисперсных частиц, их агломератов и нанозеренных керамик и поликристаллов. Усиление роли поверхностей раздела в наноструктурах. Адсорбция и десорбция. Неравновесность наноструктур и способы их стабилизации. |
9 |
Особенности электронных свойств квантовых точек, одномерных и двумерных наноструктур на основе металлических полупроводниковых и диэлектрических материалов. Плазмонные резонансы, квантовый эффект Холла, линейный закон электронной дисперсии графена. |
10 |
Особенности оптико – спектральных характеристик квантовых точек, квантовых проволок и квантовых ям полупроводниковых и металлических составов. Гигантское комбинационное рассеяние органических молекул, адсорбированных металлическими наночастицами. |
11 |
Синергетическая самоорганизация. Процессы упорядочения наноструктур при формировании коллективов из неорганических и органических нанокомпонентов с помощью лазерного, электрического и акустического воздействий. |
12 |
Особенности нанотехнологий биоморфных систем. Проявления естественных нанотехнологий в биологических структурах растительного и животного происхождения. |
13 |
Формирование наноструктур для электронных и опто-электронных систем методами ионного облучения, рентгеновской и электронно – лучевой литографии, плазмохимической обработки, молекулярно-лучевой эпитаксии |
14 |
Перспективы применения нанотехнологий в электронных и оптоэлектронных схемах, биосенсорике, радиационных детекторах, преобразователях ионизирующих излучений в электричество. |
15 |
Перспективы применения нанотехнологий в несущих конструкциях, установках с высокотемпературными и химически агрессивными средами, инструментальной технике. Повышение эффективности каталитических процессов с использованием наночастиц |
Общая трудоемкость дисциплины: 2 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: экзамен.
Целями освоения дисциплины «Философские вопросы естествознания» являются научить:
- понятиям и общим проблемам философии естествознания, логике исторического развития науки, ее взаимодействия с социокультурным контекстом человеческого бытия;
- дать представление о проблемах кризиса современной техногенной цивилизации и глобальным тенденциям смены научной картины мира, типах научной рациональности, системах ценностей научного творчества;
- сформировать навыки анализа основных мировоззренческих и методологических проблем современной науки и тенденций ее развития.
Краткое содержание дисциплины:
| 1 | Предмет и основные концепции современной философии естествознания |
2 |
Наука в культуре современной цивилизации |
3 |
Возникновение науки и основные стадии её исторической эволюции |
4 |
Структура научного знания. Динамика науки как процесс порождения нового знания |
5 |
Научные традиции и научные революции. Типы научной рациональности |
6 |
Современный этап развития науки. Научно-технический прогресс. Наука как социальный институт |
7 |
Философские вопросы математики и физики |
8 |
Философские вопросы химии и техники |
9 |
Философские вопросы биологии и медицины |
Общая трудоемкость дисциплины: 4 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: экзамен.
Автор программы: доцент, к. ф.-м. н., Рыжкин И. А.
Цель дисциплины: дать студенту систематические знания основных разделов современной физики твердого тела, познакомить с основными моделями и методами, необходимыми для дальнейшей самостоятельной работы.
Задачи: развитие у студентов навыков физического мышления, умения ставить и решать задачи, свободно владеть основными определениями и терминологией в рамках данного курса, а также умения чтения и критического анализа научных публикаций по теме курса.
Краткое содержание дисциплины:
| 1 | Типы связи конденсированных сред: ионная, металлическая, ковалентная, водородная и молекулярная связи. |
2 |
Классификация конденсированных сред по типу порядка: кристаллы, аморфные материалы, жидкости, жидкие кристаллы, квазикристаллы, фуллерены и нанотрубки, структуры с топологическим параметром порядка. |
3 |
Структура кристаллов: 2D и 3D решетки Браве, трансляционные, точечные и пространственные группы, обратные решетки, рассеяние рентгеновских лучей, нейтронов и электронов в периодических структурах. |
4 |
Колебания решетки, фононы, фононная теплоемкость и теплопроводность кристаллов. Неустойчивость 1D и 2D решеток. Особенности тепловых свойств аморфных материалов, теория двухуровневых систем. |
5 |
Квантовая механика частицы в периодическом потенциале, теорема Блоха, функции Блоха и Ваннье, квазиимпульс, плотность состояний, метод почти свободных электронов и метод сильной связи. |
6 |
Метод эффективной массы для описания движения электронов, влияние дефектов на электронный спектр, поверхностные состояния. |
7 |
Спин-орбитальное взаимодействие, его влияние на электронный спектр, уравнение Дирака. Топологические свойства зонной структуры и топологические изоляторы. |
8 |
Электронный транспорт, уравнение Больцмана, метод функций Грина, квантовый транспорт в низко размерных и ограниченных системах, баллистический транспорт и локализация. |
9 |
Много частичные системы, метод вторичного квантования, фермионы и бозоны. Сильно коррелированные системы, концепция квазичастиц: фононы, электроны, экситоны, магноны, анионы и другие. |
10 |
Магнетизм атомов и молекул, виды магнитного взаимодействия, ферро-магнетизм, спиновые стекла и спиновый лед, модели Изинга и Гейзенберга, спиновые волны, образование доменов. |
11 |
Магнитные свойства металлов, диамагнетизм, парамагнетизм, модель Хаббарда, спиновый лед и спиновая жидкость, магнитные монополи в спиновом льде. |
12 |
Сверхпроводимость, модель Гинзбурга-Ландау, теория БКШ и метод Боголюбова, два вида сверхпроводников (I и II рода), абрикосовские вихри, эффект Джозефсона. |
13 |
Эффект Холла, квантовый эффект и, дробный квантовый эффект Холла, топологический параметр порядка. |
14 |
Конденсация Бозе-Эйнштейна, незапутанные и запутанные много частичные состояния. |
Общая трудоемкость дисциплины: 4 зачетные единицы.
Форма промежуточной аттестации: экзамен.