Лаборатория квантовой механики молекул
и радиационных процессов (КВАМЕР)

Лаборатория КВАМЕР (англ. QUAMER) занимается моделированием физико-химических свойств и высоковозбужденных квантовых состояний молекул и радиационных процессов для приложений в нелинейной динамике, спектроскопии, дистанционном анализе, атмосферной оптике, астрофизике, химии, биофизике, экологии.

Черепанов Виктор Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета ТГУ

Сотрудники лаборатории внесли определяющий вклад в расчеты новых высокоточных поверхностей потенциальных энергий молекул CH4, CH3Cl, CH3F, PH3 и поверхностей дипольного момента метана и фосфина. Совместно с Университетом Реймса (Франция) и Институтом оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) разработаны алгоритмы расчета спектров из рассчитанных поверхностей энергии и дипольного момента, создана первая версия высокотемпературного банка радиационных данных метана для астрофизических приложений, проведён анализ высоковозбужденных квантовых состояний озона вблизи энергии диссоциации. Созданы компьютерные реализации метода контактных преобразований для трехатомных, четырехатомных и пятиатомных молекул различного типа, позволяющих сочетать преимущества глобальных и локальных методов при анализе молекулярных спектров высокого разрешения. Предложены модели и на их основе проведены теоретические исследования фотофизических свойств большого ряда органических молекул для приложений в фотонике и органической электронике. Исследованы магнитные свойства молекул гетеропорфиринов, изофлоринов. Проведены теоретические исследования фотофизических свойств порфина и некоторых его производных и комплексов с лютецием, новых цинковых металлоорганических комплексов.

Основные направления работы лаборатории:

  • исследование электронных структур и молекулярных свойств в широком диапазоне условий для изолированных и взаимодействующих квантовых систем;
  • разработка новых методов и алгоритмов ab initio расчетов поверхностей потенциальной энергии, дипольных и мультипольных моментов и высших поляризуемостей многоатомных молекул и слабосвязанных ван-дер-ваальсовских атомно-молекулярных комплексов;
  • моделирование фотофизических, магнитных и электрических свойств и процессов в органических и металлоорганических соединениях для создания теоретической основы органической электроники и спин-катализа, синтеза новых полимеров и разработки новых материалов;
  • экспериментальное исследование и теоретический анализ спектров малых и многоатомных молекул в микроволновом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах;
  • теоретическое моделирование и предсказание высоковозбужденных квантовых состояний молекул и радиационных процессов в экстремальных условиях на основе потенциальных и дипольных поверхностей и новых эффективных методов расчета;
  • исследование нелинейной молекулярной динамики при высоких энергиях, качественных трансформаций состояний, изотопических эффектов, формирования и диссоциации молекул и комплексов, межмолекулярных взаимодействий и взаимодействий с поверхностями;
  • разработка оригинальных информационных систем и баз данных по спектрам и свойствам молекул;
  • применение полученных результатов исследований к дистанционному спектральному контролю в биофизике, экологии, физике планетных атмосфер, астрофизике в широком диапазоне температур (радиационные процессы в экзопланетах, межзвездной среде и т. д.) в сотрудничестве с другими лабораториями и институтами.

Текущие исследования

Лаборатория КВАМЕР (англ. QUAMER) планирует получение новой фундаментальной информации о квантовых состояниях и физико-химических свойствах малых и многоатомных молекул, обладающих высокой ядерной перестановочной симметрией, а также ряда (металло)органических молекул и молекулярных комплексов: OH-He, HCN-H2, CO2-CO2, NaCl-He и NaCl-H2, представляющих интерес для изучения атмосфер планет Солнечной системы, экзопланет, холодных звезд и межзвездного пространства, а также для органической электроники, синтеза новых полимеров и разработки новых материалов. Эта информация будет получена на основе новых экспериментальных данных в ИК и видимой областях спектра и квантово-химических расчетов в ИК, видимой и УФ областях спектра. С этой целью планируется:
 
  • вычислить высокоточные поверхности потенциальной энергии, мультипольных моментов и поляризуемостей (в том числе высших) ряда имеющих практический интерес молекул, создающих основу для расчета спектров поглощения и излучения молекул в широком спектральном диапазоне и широком диапазоне температур и давлений;
  • совместно с Университетом Реймса и Институтом оптики атмосферы СО РАН разработать методы, алгоритмы и программные реализации «глобальных» расчетов спектральных характеристик молекул в различных низкотемпературных (стратосфера земли, атмосферы планет) и высокотемпературных (астрофизика) условиях, позволяющие проводить поиск и идентификацию молекул в данных, получаемых с помощью наземных и орбитальных телескопов и спектрометров, работающих в ИК, видимой и УФ областях спектра;
  • разработать модели для описания локализации, переноса энергии и изотопических эффектов при возбуждении и диссоциации молекул, поглощения и эмиссии излучения;
  • создать оригинальные банки молекулярных свойств и спектроскопических данных для газового зондирования в атмосферной физике и астрофизике, дополняющих существующие зарубежные системы, такие как, например, EXOMOL (www.exomol.com) Европейского союза, банк данных NASA по ароматическим углеводородам (www.astrochemistry.org/pahdb), банки данных высокого разрешения, широко используемые для анализа состава атмосфер планет HITRAN (www.cfa.harvard.edu/hitran), холодных звезд и экзопланет HITEMP (www.cfa.harvard.edu/hitran/hitemp.html), а также банк данных BASECOL (http://basecol.obspm.fr/), содержащий данные по столкновительным колебательно-вращательным возбуждениям молекул, необходимые для моделирования радиационного переноса в астрофизических объектах;
  • модернизировать информационную систему по спектроскопии озона с последующим её включением в международные базы данных;
  • разработать эффективные модели для расчетов констант скоростей излучательных и безызлучательных процессов в молекулах на основе ab initio методов и теории функционала плотности;
  • провести молекулярное моделирование электронных структур, вибронных состояний и спектров (металло)органических молекул для задач биологии, медицины и астрохимии, фотолиза;
  • провести моделирование спектров люминесценции органических светодиодов и светотранзисторов (OLED, OLET);
  • определить фундаментальные магнитные свойства ароматических и антиароматических молекул во внешнем магнитном поле;
  • провести ab initio расчет поверхностей потенциальной энергии столкновительных систем;
  • модернизировать спектроскопический комплекс на базе Фурье-спектрометра высокого разрешения BRUKER-125HR с многоходовой 30-метровой кюветой. Увеличение длины оптического пути до 1200 м и температурного диапазона 260-340К.

Руководители лаборатории

Заведующий лабораторией
Черепанов Виктор Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета ТГУ
Тел. +7 (3822) 529 640 email: vnch@phys.tsu.ru

Научный координатор международного сотрудничества
Тютерев Владимир Григорьевич,, доктор физико-математических наук, профессор Университета Реймса (Франция)
email: vladimir.tyuterev@univ-reims.fr

Партнёры