В Санкт-Петербургском Университете молекулярная оптика является старейшей специализацией, начало которой положили в 30-е годы экспериментальные работы Е.Ф.Гросса и М.Ф.Вукса (рассеяние света). В конце 40-х годов курс молекулярной оптики начал читать М.В.Волькенштейн (монографии: "Молекулярная оптика" и "Структура и физические свойства молекул"). С 1953 года этот курс продолжал читать М.Ф.Вукс (монографии: "Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах" и "Электрические и оптические свойства молекул"). С 1972 года этот курс читает нынешний руководитель группы Н.Б. Рождественская.

Подготовка специалистов высшей квалификации этой специализации, осуществляемая в рамках магистерской программы 019, необходима для успешного развития таких областей фундаментальной науки как физика жидкого состояния, молекулярная биофизика, физическая химия. В настоящее время методы молекулярной оптики широко используются в научной практике. В ряде университетов США, Канады, Италии, Франции, Германии, Англии, Польши, Австралии ведутся исследования в области рассеяния света в чистых жидкостях, жидких и пластических кристаллах, растворах. В России специализация Молекулярная Оптика осталась только в Санкт-Петербургском Университете. Созданные М. Ф. Вуксом школы оказались в ближнем зарубежье (Самарканд, Киев).

Европейский центр молекулярной оптики в Бордо объединяет ученых ряда стран Европы, Канады и Америки. С 1990 года к совместным исследованиям присоединились сотрудники группы рассеяния электромагнитного излучения в оптическом диапазоне частот, руководимой Н.Б. Рождественской, входящей в группу EMLG (European Molecular Liquid Group). Публикации 1990-1992 годов в зарубежных журналах и участие в международных конференциях позволили установить контакты с университетами в Бордо, Гренобле, университетом Пьера и Марии Кюри в Париже.

Дифракционные эксперименты на жидкостях, в частности рассеяние света, позволили в последнее десятилетие значительно продвинуться в области создания теории жидкого состояния. Все характеристики молекулярного рассеяния в жидкостях (интегральная интенсивность, деполяризация, лазерная спектроскопия высокого разрешения) являются чувствительными индикаторами изменений симметрии локальных структур в жидкости при изменении внешних параметров cреды.

Изучение температурной зависимости интегральной интенсивности деполяризованного рассеяния света в изотропной фазе жидких кристаллов показали бурный рост и развитие парных корреляций за 10-15 градусов до наступления нематической фазы (работы Н.Б.Рождественской и К.Эйднера). В дальнейшем это помогло интерпретировать экспериментальные результаты по температурной зависимости деполяризованного рассеяния света в бензоле и гексафторбензоле, полученные Н.Б.Рождественской и Л.В.Смирновой в 1986-1991 годах, как структурные переходы между локальными структурами различной симметрии, образуемыми димерами различной взаимной ориентации молекул. В этой связи в группе получили дальнейшее развитие исследования флукткационных процессов, приводящих к самооргаризации и образованию динаьических структур в чистых жидкостях (бензол, гексафторбензол, трифторбензол, мезитилен, ацетонитрил), включая воду. Особое внимание уделяется лазерной спектроскопии высокого разрешения рассеянного света (В.И.Ролич, С.В.Скворцов, И.В.Колесников).

Для экспериментального изучения свойств воды и водных систем большое внимание уделяется созданию термодинамического эталона чистоты воды. Характеристика эталона основана на анализе лазерного спектра высокого разрешения рассеянного света, в котором наблюдается сструктура в виде триплета - центральной несмещенной линии, связанной с флуктуациями энтропии (Iц) и двух боковых компонентов, связанных с флуктуациями давления (Iм-б), причем

Iц/2Iм-б=(Сp-Cv)/Cv

Так как для воды Ср=Сv при 4 С то в эталонах чистой воды должен отсутствовать центральный компонент. Степень чистоты воды может быть определена по величине этого отношения. Достоверность всех получаемых результатов в водных системах и обоснованность их интерпретации определяется степенью чистоты воды.

Фото Н.Б. Рождественской и С.В. Скворцова

Исследования водных систем, имеющие целью биологические приложения, проводятся в лаборатории молекулярной оптики начиная с 1963 года по инициативе и до 1977 года под руководством ст.н.с. А.И. Сидоровой. Одновременно был организован постоянно действующий ставший позднее всесоюзным семинар по изучению структуры и роли воды в живом организме (руководители А.И. Сидорова и проф. М.Ф. Вукс, позднее ст.н.с. О.Ф. Безруков), в работе которого принимали активное участие специалисты различного профиля из многих научных учреждений в том числе и иностранные. Семинар действовал под эгидой Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. За время действия семинара вплоть до 1993 года, когда его работа была прекращена ввиду невозможности её дальнейшего осуществления, было проведено свыше 400 заседаний. Труды семинара начиная с 1966 года раз в два года издавались в сборниках "Структура и роль воды в живом организме", а позже - "Молекулярная физика и биофизика водных систем", часть которых была переведена в США на английский язык (по инициативе издательства Plenum Publishing Corporation) и издана отдельными выпусками под названием "Water in biological systems". Первым исследованием (А.И. Сидорова совместно с проф. Н.А. Вержбинской) было изучение проницаемости гематоэнцефалического барьера, проведённое спектроскопическим методом с использованием изотопного замещения.

Параллельно с исследованиями состояния воды в тканях растений и животных и в растворах с биологическими макромолекулами (белками) проводилось изучение межмолекулярных взаимодействий в более простых системах - водных растворах солей и неэлектролитов (спиртов, гликолей и некоторых других веществ). Эти исследования, проведённые методом инфракрасной спектроскопии (доц. И.Н. Кочнев и доц. А.И. Халоимов), позволили установить ряд спектральных проявлений так называемой гидрофобной гидратации - явления увеличения взаимодействия между молекулами воды, вызванного внедрением гидрофобных радикалов растворённых молекул в полости решётки воды. Позднее эти результаты позволили дать объяснения процессам, происходящим при предденатурационных переходах в водных растворах белков (А.И. Халоимов). Исследование концентрационных зависимостей интегрального светорассеяния в водных растворах спиртов (доц. Л.В. Шурупова) привело к обнаружению неизвестного ранее явления - резкого возрастания интенсивности рассеяния в узком интервале концентраций при небольшой концентрации спирта. Этот эффект, зависящий от размеров и разветвлённости неполярного радикала молекул неэлектролита, также связан с явлением гидрофобной гидратации. Изменения строения и динамики воды, в том числе под действием неэлектролитов оказывают глубокое влияние на свойства биологических макромолекул, которые в ней растворены. Это обнаружилось как в результате исследования растворов белков (А.И. Халоимов, А.И. Сидорова, проф. А.П. Жуковский, Л.В. Шурупова, И.Н.Кочнев), так и ДНК (проф. Э.В. Фрисман, ст.н.с. С.В. Слоницкий, ст.н.с. О.П. Зарубина). Существующие теоретические представления о жидкости вообще и о воде в частности не дают возможности объяснить многие из упомянутых выше явлений с микроскопической точки зрения. Совершенно необъяснимыми оказываются такие свойства воды (также и некоторых других жидкостей) как термоиндуцированные аномалии - небольшие нарушения монотонного характера температурных зависимостей некоторых свойств, в частности, оптических и спектральных (И.Н.Кочнев, н.с. М.Б. Винниченко, мл.н.с. Л.В.Смирнова) а также отмечаемое многими авторами воздействие на воду и биологические системы слабых полей. Сложившиеся теоретические представления стали очевидным тормозом в исследовании этих явлений, очень важных для биологических и медицинских приложений. Попыткой преодолеть этот кризис явился глубоко разработанный вариант так называемой континуальной теории строения жидкой воды (А.П. Жуковский), в основу которой положено представление о существовании непрерывного распределения молекул по энергиям водородных связей, которые они образуют. Эта статистическая теория дала возможность количественно объяснить температурные вариации как спектра поглощения, так и комбинационного рассеяния (за исключением температурных аномалий).

В последние годы стала очевидной необходимость совершенно нового подхода к описанию свойств жидкости. Схожесть многих свойств кристалла и жидкости явилась в своё время побудительным мотивом для создания различных вариантов квазикристаллических теорий строения жидкости. Однако механическое перенесение свойств кристалла на жидкость приводит к большим трудностям при описании текучести, процесса плавления и т.д.. Учитывая нелинейность всех взаимодействий в природе, представлялось перспективным использование результатов нелинейной динамики. На этой основе была создана ангармоническая модель динамики конденсированной среды (И.Н. Кочнев), с помощью которой удаётся количественно описать процесс плавления и характерные для него корреляции, дать объяснение происхождению текучести жидкости, понять причины ряда "аномальных" свойств воды. Нет сомнения в том, что адекватное описание природных, особенно биологических процессов возможно только на основе нелинейной теории. Сейчас эта теория, выйдя за рамки узкой математической дисциплины, какой она поначалу была, находит всё новые применения в различных областях знания начиная от ядерной физики и кончая экономикой и социологией.