Фізичний факультет

Навчальні програми та навально-методичне забезпечення

У 2003–2015 роках кафедра готувала бакалаврів і магістрів за спеціальністю “фізика твердого тіла” ( із 2010 року - "фізика конденсованого стану") з окремим набором абітурієнтів у межах напряму підготовки “фізика” (набір 15 чол.; ліцензований і акредитований обсяг 25 чоловік; акредитація за IV рівнем).
Із 2015 року кафедра готує бакалаврів і магістрів за спеціалізаціями «комп’ютерна металографія та фізичне матеріалознавство» та «фізика біоматеріалів і медичне матеріалознавство» за спеціальністю 104–«фізика та астрономія».

ЗМІСТ НАВЧАННЯ. ПРОГРАМИ ОСНОВНИХ НАВЧАЛЬНИХ КУРСІВ

1. Програма бакалавра (освітня програма «фізика»)
1.1. Вступ до фізики твердого тіла
Розглядаються закономірності будови кристалічних і квазікристалічних тіл, поняття фізичної симетрії. Кристал як однорідний анізотропний континуум і дисконтинуум. Значна увага приділяється опису рівноважних і нерівноважних дефектів кристалічної будови, їх класифікації та способам дослідження, питанням термодинаміки фазових рівноваг і перетворень, взаємодії компонентів у системі, механічним і тепловим властивостям твердих тіл.

1.2. Фізика біоматеріалів. Фізичне матеріалознавство
Основні фізичні процеси під час кристалізації (із водних розчинів і внаслідок твердофазних реакцій), формуванні, термообробці та спіканні нано- та мікрокристалічних речовин на основі фосфатів кальцію (переважно – гідроксилапатиту, ГА, та трикальційфосфату), які за характеристиками близькі до основного мінерального компоненту кісткової тканини хребетних. Методи одержання монокристалічних вусів ГА та способи й механізми зміцнення керамічних кальцій-фосфатних матеріалів за їхнього армування. Хімічний склад, структура, морфологія, дефектний стан і фізичні властивості композитних кальцій-фосфатних матеріалів, зокрема – кісткових цементів. Домішковий стан фосфатів кальцію та можливість створення нових біоактивних матеріалів методом іонних заміщень.
Основи кристалохімії, характеристика та класифікація конденсованих систем. Термодинаміка фазових перетворень, кристалізація рідкої фази, фазові переходи у двохкомпонентних системах, потрійні системи. Класифікація й аналіз діаграм фазової рівноваги, методи побудови діаграм рівноваги, термічна обробка металів і сплавів, способи одержанання монокристалів. Тверді розчини, механізми їхнього утворення та розпаду; відомості з фізики спікання.

1.3. Сучасна металографія
Ознайомлення з теоретичними основами металографії й навичками теоретичної та практичної роботи з конкретними матеріалами.
Вивчення закономірностей утворення структури за дослідженнями макроструктури й мікроструктури металу (шляхом спостереження неозброєним оком і за допомогою світлового й електронного мікроскопів), а також зміни механічних, електричних, магнітних, теплових і інших фізичних властивостей металу залежно від зміни його структури.
Сучасні методи оптичних досліджень мікро- та макроповерхонь матеріалів.
Можливості комп’ютерної металографії; якісні параметри зображення світлової металографічної мікроскопії. Вивчення сучасного програмного забезпечення для комп’ютерних засобів дослідження металографічних зображень із метою визначення якісних і кількісних характеристик матеріалів.

1.4. Дефекти в кристалах
Розглядаються різні типи дефектів кристалічної будови та їх класифікація. Точкові дефекти, їх види та термодинаміка, викривлення гратки поблизу точкових дефектів, методи визначення різних характеристик вакансій. Основні типи дислокацій. Атомна структура, геометричні та енергетичні характеристики дислокацій, способи переміщення дислокацій і їх взаємодія у кристалах. Взаємодія дислокацій із точковими дефектами. Дисклінації, диспирації. Дво- та тривимірні дефекти. Межі зерен і субзерен. Класифікація меж зерен. Структура меж зерен, залежність від кута разорієнтації зерен; моделі структури висококутових спеціальних меж зерен. Власні зерномежеві дефекти. Двійникові межі. Потрійні стики меж зерен. Тривимірні дефекти. Сучасні методи спостереження та вивчення дефектів кристалічної будови. Вплив дефектів кристалічної будови на фізичні властивості металів.

1.5. Основи структурного аналізу
Питання теорії розсіювання рентгенівських променів кристалами. Вплив на інтенсивність і геометрію розсіювання теплових коливань атомів гратки. Розсіювання твердими розчинами (утворення дальнього та ближнього порядків). Зміна розмірів блоків мозаїки та утворення дефектів упаковки. Основні методи аналізу структури кристалів за рентгенограмами.

1.6. Використання ПК у наукових дослідженнях
Метою викладання навчальної дисципліни є ознайомлення студентів із сучасним програмним забезпеченням, яке використовується у наукових дослідженнях фізики твердого тіла. Основна увага приділяється вивченню комп’ютерних програм для одержання експериментальних даних, їхньої обробки та аналізу, моделюванню фізичних процесів, підготовці результатів для публікації, прилюдної демонстрації на конференціях, семінарах тощо. Основними завданнями вивчення дисципліни є оволодіння студентами практичних навиків роботи з програмним забезпеченням, яке використовується у наукових дослідженнях фізики твердого тіла для обробки, оформлення та представлення результатів наукових досліджень у науковій літературі, на конференціях і захисті дипломних робіт.

1.7. Наноструктурні матеріали. Кристалізація кальцій-фосфатних біоматеріалів
Метою викладання навчальної дисципліни є огляд основних шляхів одержання кальцій-фосфатних матеріалів, дослідження їхньої структури, функціональних властивостей залежно від параметрів синтезу, механізмів кристалізації за дії різних чинників, вплив домішок на структуру, фазовий склад і фізичні властивості кальцій-фосфатних матеріалів.
Розглядаються питання методів одержання, особливостей будови, фізичних, механічних і функціональних властивостей наноструктурних матеріалів. Приділяється увага методам аналізу структури наноматеріалів і шляхам їхнього застосування в науці, техніці та медицині. Головними завданнями вивчення дисципліни є ознайомлення студентів із основними методами синтезу кальцій-фосфатних матеріалів, процесами кристалізації, а також впливом домішок на фізичні характеристики одержаних матеріалів. Розглядається сучасний стан розвитку наноструктурних матеріалів, методи одержання, фізичні властивості та шляхи практичного застосування цих матеріалів.

1.8. Мікроскопія та спектроскопія твердих тіл
Методи дослідження структури, морфології та хімічного складу твердих тіл: просвічувальна та растрова електронна мікроскопія; автоелектронна, автоіонна та тунельна мікроскопії; оже-електронна спектроскопія; мас-спектрометрія; вторинна іонна мас-спектрометрія; інфрачервона спектроскопія; рентгеноспектральний аналіз; термогравіметрія та диференціальний термічний аналіз; спеціальні методи рентгеноструктурного аналізу; дифракція швидких і повільних електронів (електронографія). Для кожного методу розглядаються його фізичні основи, принципова схема та основні характеристики апаратури. Окреслено також головні напрями та результати застосування методів у дослідженні твердих тіл.

2. Програма магістра (освітньо-професійна програма «фізика»)

2.1. Фізичні основи міцності та пластичності твердих тіл
Розглядаються закономірності та механізми фізичних процесів, які обумовлюють механічні властивості металів і сплавів, залежність від умов навантаження в широкому температурному інтервалі. Пластична деформація моно – та полікристалів; фізичні процеси, що лежать в основі пластичної течії, деформаційного зміцнення та руйнування металів і сплавів. Роль дефектів кристалічної будови в розвитку пластичної деформації та руйнуванні кристалічних матеріалів. Повзучість, види та механізми повзучості, залежність від рівня прикладеного напруження та від температури. Надпластичність, механізми та моделі реалізації надпластичності. Втома. Тривала міцність. Розглядаються можливості управління характеристиками міцності та пластичності реальних твердих тіл.

2.2. Домішкові ефекти в кальцій-фосфатних біоматеріалах
Розглядаються питання покращення біоактивних характеристик гідроксиапатитної кераміки шляхом введення в неї домішок, які є невід'ємною складовою біоапатиту. Вивчається вплив добавок іонів натрію, магнію, калію, а також карбонату, фтору, хлору та інш. на функціональні характеристики біоактивної кальцій-фосфатної кераміки.

2.3. Комп’ютерне моделювання фізичних процесів і явищ
Основні поняття комп’ютерного моделювання, числові моделі фізичних процесів, числовий експеримент, символьні моделі фізичних процесів.

3. Програма магістра (освітньо-наукова програма «фізика»)
3.1. Резонансні методи досліджень
Метою викладання навчальної дисципліни є ознайомлення студентів із сучасними резонансними методами дослідження структури рідких, аморфних і кристалічних речовин. Основна увага приділяється методам ядерного магнітного резонансу, електронного парамагнітного резонансу, дослідженню тонкої структури межі смуги поглинання рентгенівських променів (XANES, EXANES), малокутовому рентгенівському розсіюванню, побудові радіальної функції розподілу атомів. Основними завданнями вивчення дисципліни є оволодіння студентами теоретичними основами вказаних методів аналізу структури, а також вміння використовувати отримані знання для вирішення фундаментальних наукових і прикладних завдань фізики конденсованого стану.

3.2. Фізичні властивості металів та сплавів
Курс складається із двох розділів: дифузійні та теплові властивості твердих тіл. Висвітлено базові уявлення про фундаментальні закони, закономірності та механізми фізичних процесів, які обумовлюють дифузійні та теплові властивості металів і сплавів.
Надаються знання щодо теоретичних основ дифузії, механізмів дифузії, математичних і експериментальних методів визначення коефіцієнтів дифузії в металах і сплавах.
Розгляду природи та механізмів теплових властивостей – теплоємності, теплопровідності та теплового розширення твердих тіл – передують питання, які присвячені розгляду динаміки кристалічної гратки твердих тіл.

3.3. Іонні заміщення у фосфатах кальцію
Сучасні уявлення про склад мінерального компонента кістки. Роль мікроелементів у формуванні фазового складу та мікроструктури біологічного апатиту. Створення нових фізико-хімічних властивостей біоактивних матеріалів шляхом заміщення в катіонній та аніонній підґратках гідроксиапатиту кальцію.

3.4. Фазові перетворення у твердих тілах
Загальні відомості про фазові перетворення у твердих тілах. Питання, пов’язані з рівновагою фаз і фазовими перетвореннями першого та другого родів, кінетикою кристалізації, поліморфними перетвореннями та їхньою роллю у формуванні фізичних властивостей матеріалів

3.5. Сучасні проблеми фізики біоматеріалів
Створення керамічних матеріалів на основі фосфатів кальцію (ФК) із задовільними (для медичних застосувань) механічними властивостями та біосумісністю на основі наноструктурних ФК завдяки набуткам нанотехнології.
Аморфні фази ФК (АФК) як ефективний вихідний матеріал для вдосконалення кісткових імплантів для конструкцій тканинної інженерії. Доцільність застосування в АФК заряджених органічних молекул і протеїну для стабілізації проміжних фаз і управління кристалізаційними процесами.
Покращення службових характеристик кальцій-фосфатних цементів (КФЦ) за рахунок змін хімічного та фазового складів вихідних компонентів, розміру та розподілу частинок за дисперсністю (для оптимізації пористості/остеокондуктивності), іонних заміщень у компонентах і функціоналізації завдяки введенню ліків і біоорганічних сполук.
Перспективи градієнтних покриттів, в яких унаслідок поступового зменшення кристалічності від підкладки до поверхні можна адаптувати швидкість ресорбції до потрібної для ефективної біомінералізації на межі покриття – новоутворена кістка.

4. Фахово-орієнтовані курси (для бакалаврів і магістрів)
4.1. Кристалографія та кристалофізика. Основи структурної кристалографії
Структурні аспекти кристалографії в об'ємі, необхідному для вивчення структурного аналізу. Відомості з макроскопічної та мікроскопічної кристалографії, ключові питання структурної кристалохімії та будова основних розповсюджених і деяких унікальних кристалів.

4.2. Техніка фізичного експерименту
У курсі лекцій розглядаються класичні та нові підходи до техніки фізичного експерименту. Значна частина присвячена методам визначення та реєстрації температури, тиску, способам регулювання цих характеристик, визначення температур фазових переходів за допомогою термічного та диференційно-термічного методів. Велику увагу надано техніці отримання та вимірювання вакууму сучасними методами, знайомству з методами визначення механічних характеристик, дослідженню закономірностей розвитку пластичної деформації кристалічних зразків і визначенню механічних характеристик. Особлива увага приділяється сучасним оптоелектронним методам дослідження виникнення і розвитку дислокаційного ковзання та орієнтаційних, структурних і субструктурних змін, які супроводжують пластичну деформацію кристалічних матеріалів.

4.3. Рентгеноструктурний аналіз
Метою викладання навчальної дисципліни є навчити студентів основним поняттям рентгеноструктурного аналізу та процесам взаємодії рентгенівського випромінювання з кристалічними речовинами, а також дифракційним методам дослідження кристалічної структури. Основна увага приділяється теорії розсіювання рентгенівських променів, факторам, які впливають на інтенсивність відбивання рентгенівських променів від кристалів, практичним методам одержання рентгенограм від кристалів і їхнього розрахунку, визначенню параметрів кристалічної гратки, орієнтації монокристалів, фазового та елементного складу зразків. Головними завданнями вивчення дисципліни є оволодіння студентами теоретичними основами рентгеноструктурного аналізу та процесів взаємодії рентгенівського випромінювання з кристалічними речовинами, а також вміння використовувати отримані знання для зйомки та інтерпретації рентгенограм від кристалів та їхнього розрахунку.

1. З.З. Зиман, А.Ф. Сіренко. Основи фізичного матеріалознавства: Навчальний посібник. – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2005. – 288 с.

2. З.З. Зиман. Основи структурної кристалографії: Навчальний посібник. – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2008. – 212 с.

3. Є.Ю. Бадіян. Практична кристалографія: Навчальний посібник. – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2010. – 144 с.

4. З.З. Зыман, А.Ф. Сиренко. Введение в рентгенографию. Рентгеновские лучи и их взаимодействие с веществом : учебное пособие. – Х.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2013. – 472 с.
5. З.З.Зиман. Кальцій-фосфатні біоматеріали. Навчальний посібник. – Х.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2018. – 288 с.
6. Є.Ю. Бадіян, А.Г. Тонкопряд. Методичні вказівки до виконання лабораторної роботи з фізичного матеріалознавства “Кількісний металографічний аналіз”. – Х.: ХДУ, 1997. – 14 с.

7. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізичного матеріалознавства “Методи визначення твердості та мікротвердості металів і сплавів”. Упоряд: Є.Ю. Бадіян, А.Г. Тонкопряд. – Х.: ХНУ, 2000. – 24 с.

8. Є.Ю. Бадіян, А.Г. Тонкопряд, О.В. Шеховцов. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізичного матеріалознавства: 1. Вивчення пластичної деформації та визначення механічних характеристик металів і сплавів. 2. Вирощування монокристалів”. – Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2007. – 36 с.

9. Методичні вказівки до виконання спецпрактикуму з мікроскопії, спектроскопії та термічного аналізу твердих тіл: 1. Растрова електронна мікроскопія. 2. Рентгеноспектральний мікроаналіз. 3. Електронографія. 4. Методи термічного аналізу. / Зиман З.З., Ткаченко М.В., Глушко В.І., Подус Л.П. –Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2008. – 64 с.

10. А.Г. Тонкопряд, О.В. Шеховцов. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізичного матеріалознавства: вивчення фазових перетворень у сталях за допомогою методу диференційного термічного аналізу та дилатометричного методу. – Х.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2009. – 33 с.

11. Е.Е. Бадиян, А.Г. Тонкопряд, Р.В. Шуринов. Методические указания к выполнению лабораторных работ по физическому материаловедению: Рекристаллизация металлов. Старение сплавов (термическая и термомеханическая обработка металлов и сплавов). – Х.: ХНУ імені В. Н. Каразіна, 2013. –36 с.

Окрім друкованого варіанту, зазначена навчальна література доступна для студентів у електронній формі за сайтом кафедри.

Для студента. Міжнародні зв'язки

Починаючи з 2000 року, щорічно, кращі студенти кафедри (2 – 4 чол.) виборюють стипендію фонду Леонарда Ейлера (ДААД, Німеччина). Внаслідок, упродовж навчання в магістратурі при кафедрі вони одержують стипендію ДААД і закінчують магістерські роботи під час місячного стажування в одному з провідних університетів Німеччини (Університет Бохума, 2000 – 2003 р.р., Університет Дуйсбург-Ессена, 2004 – 2019 р.р.). По закінченні університету, найбільш успішні з таких випускників мають змогу продовжити навчання в аспірантурі (чи за докторськими програмами за рубежем) та по одержанні наукового ступеня кандидата наук (або Ph.D.) запрошуються на викладацьку чи дослідницьку роботу в кращі освітні та наукові заклади України та країн ЄС. (С. Щербина – н. співр., McGill-університет, Канада; О. Примак – завідувач рентгенівської лабораторії Інституту неорганічної хімії, Університет Дуйсбург-Ессен, Німеччина; К. Лоза – н.співр., Університет Дуйсбург-Ессен; А. Лотник – н.кер. групи, Інститут ім. Лейбніца, Лейпциг, Німеччина та інші).

Зокрема, стипендіати ДААД 2014 – 2015 навчального року – студентка 5 курсу та асистент А. Гончаренко – у травні 2015 року були на науковому стажуванні в CeNIDE (Центр наноінтеграції та біоматеріалів) при університеті Дуйсбург-Ессена.

Наукові результати співробітників і студентів кафедри регулярно доповідаються на національних і міжнародних наукових форумах. Так, 6–10 вересня 2010 р. у Криму, с. Берегове, відбулася чергова міжнародна зустріч "Українсько-німецький симпозіум із фізики та хімії наноструктур і нанобіотехнологій". Учасниками симпозіуму були більше 200 осіб із України, Німеччини, Польщі та Литви. Серед аспірантів і молодих дослідників було проведено конкурс на кращу доповідь чи презентацію постера. Студентка 5-го курсу нашої кафедри Катерина Лоза, стипендіат фонду Леонарда-Ейлера (2009–2010 р. р.), була нагороджена дипломом першого ступеню за стендову доповідь "Зміна фазового складу зразків у процесі кристалізації апатиту".

На фото:


Німецька (Університет Дуйсбург-Ессена) та кафедральна групи дослідників, які співпрацюють у галузі фізики та хімії біоматеріалів із 2000 року, на симпозіумі (2010 р.).		Молоді дослідники кафедри (зліва направо) пошукач А. Гончаренко, студентка 5-го курсу К. Лоза та ст. викл. Рохмістров Д.В. на симпозіумі (2010 р.).

       Восени 2012 року співробітники кафедри були запрошені на черговий 4-й німецько-український симпозіум "Фізика та хімія наноструктур і нанобіотехнологія 2012" у Німеччині (18–20 вересня 2012 р., Ільменау) та ХХІІІ міжнародну конференцію з біоматеріалів у медицині у Польщі (10–13 жовтня 2012 р., Ритро). Проф. З. Зиман входив до складу наукового комітету симпозіуму в Німеччині та на обох форумах виступив із оглядовою доповіддю. Ст. викладач Рохмістров Д.В. зробив секційну доповідь, яка викликала значний інтерес. Першою премією серед молодих дослідників було відзначено асистента кафедри Гончаренка А.В., стипендіата програми Л. Ейлера 2011 – 2012 р.р., за секційну доповідь "Функціональні градієнтні кераміки з натрій-вмістних фосфатів кальцію".

       На фото:


	Група дослідників із Німеччини, України та Росії, які співпрацюють у галузі біоматеріалів, на симпозіумі в Ільменау (вересень 2012 р., Німеччина).		Доповідь асистента Гончаренка А.В. на симпозіумі в Ільменау. (вересень 2012 р., Німеччина).

30 серпня – 3 вересня 2015 р. у Кракові (Польша) відбулася 27 Європейська конференція з біоматеріалів. Секційні та стендові доповіді разом із німецькими колегами на конференції зробили проф. Зиман З.З., доц. Рохмістров Д.В., доц. Ткаченко М.В. і ас. Гончаренко А.В.

17 – 22 вересня 2015 р. у Києві відбувся 5-й Українсько-німецький симпозіум із питань наноструктур і біоматеріалів. Із оглядовою доповіддю на ній виступив проф. Зиман З.З., а з секційними та стендовими – доц. Рохмістров Д.В., доц. Ткаченко М.В. і ас. Гончаренко А.В.
4 – 8 вересня 2018 р. в Афінах (Греція) відбулася 28 Європейська конференція з проблем біоматеріалів. На ній успішно презентували доповіді сумісно з німецькими колегами проф. Зиман З.З. і ас. Гончаренко А.В.
На чергову 29 Європейську конференцію з біоматеріалів, яка відбудеться на початку вересня 2019 р. у Дрездені (Німеччина) запрошені з доповідями проф. Зиман З.З. і ас. Гончаренко А.В.

Кафедри

Навчальні програми та навально-методичне забезпечення