[Проект «Атоми», присвячений талановитим українським науковцям, які творять не лише в Україні, але і за кордоном. Ми розповімо про їхні життєві шляхи, масштабні відкриття, а також проекти та дослідження, які змінюють світ.
Спецпроект створений за підтримки компанії SoftServe]
***
Відкриття в 2004 році графену — унікального матеріалу, що його тепер використовують у сонячних батареях, а на його основі розробляють новітню електроніку, оптичні прилади, пристрої для енергозберігання та біосенсори, — стало значною науковою подією. Про це свідчить хоча б Нобелівська премія, яку усього шість років потому отримали його першовідкривачі Андре Ґейм та Костянтин Новосьолов.
У фізиці нерідко існування новітніх матеріалів передбачають теоретично. Так, ще до отримання графену його теоретичні властивості вивчала наукова група киян з Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова. У складі цієї групи працював і Сергій Шарапов, який у той час активно контактував з майбутнім нобелівським лауреатом Андре Ґеймом. В основних статтях Ґейма є подяки киянину за плідні розмови, а також посилання на його наукові роботи, що стали корисними для пояснення властивостей нового матеріалу. Науковий здобуток Шарапова став у пригоді й іншому нобелівському лауреату — Дункану Халдейну, який отримав премію в 2016 році.
Академік на вахті
Свій інтерес до фізики Сергій з дитинства задовольняв навчанням у київській фізико-математичній школі №145. За словами науковця, у Радянському Союзі найкращий початок у самореалізації дітей із сімей технічної інтелігенції полягав якраз у вступі в фізико-математичні школи. Цю ж школу, до речі, трохи пізніше закінчила і Марина В’язовська, відома своїми математичними дослідженнями, лауреат престижної премії Салема.
У 1987 році Сергій вступає до Національного університету ім. Тараса Шевченка. І поки він вивчає ядерну фізику та квантову теорію поля, держава, у якій народився, розвалюється. Нові часи Сергію довелося відчути по-справжньому вже у аспірантурі Інституту теоретичної фізики: шалена інфляція і такі ж шалені затримки зарплатні.
— Пам’ятаю, коли писав кандидатську, в інституту не було грошей, аби платити зарплатню вахтерам, а наукові співробітники продовжували працювати задарма. У ролі такого вахтера сидів нині вже академік-секретар Відділення фізики і астрономії Національної академії наук України Вадим Михайлович Локтєв. Вичитував мою кандидатську просто на вахті. Такі злидні були, — зітхає Сергій.
Нобелівка в домашніх умовах
Багато властивостей матеріалів залежить від їхньої кристалічної структури, тобто взаємного розташування атомів. Це легко пояснити на прикладі алмазу та графіту. Найтвердіший матеріал у світі та матеріал настільки м’який, що ним можна писати, складаються із однакових атомів вуглецю. Та в алмазі атоми розташовані так щільно, що їх дуже важко розірвати. А от графіт складається із слабко зв’язаних паралельних шарів, схожих за структурою на бджолині стільники, — коли ми пишемо олівцем, ті шари лишаються на папері.
У 2004 році британські фізики російського походження Андре Ґейм та Костянтин Новосьолов працювали із невеличкими шматочками графіту. Знаючи про слабку міжшарову взаємодію в графіті, вони намагалися отримати ще тонші шари, приклеюючи зразки до скотчу. Поміж інших шматочків на липкій стрічці утворилися одношарові зразки — товщиною в один атом!
Так перший двовимірний кристал — графен, за виявлення якого згодом науковці удостоїлися найпрестижнішої премії з фізики, отримали за допомогою засобів, що легко знайти в будь-чиєму домі. Цей факт незвичний для сучасної фізики, адже для інших нобелівських відкриттів використовують прилади на кшталт Великого адронного колайдера вартістю 8 мільярдів євро.
Виявилося, що усього один шар вуглецю має надзвичайні властивості. Він у 50 разів міцніший за сталь. І тривалий час його вважали найміцнішим матеріалом, лише у 2015 році було відкрито ще міцніший — борофен (один шар атомів бору). У науково-популярній лекції Сергія Шарапова наведено розрахунки, що гамак із графену площею в квадратний метр здатен витримати кота завважки 4 кілограми, тоді як сам гамак важив би менше за вус кота. Та ще й був би невидимим — графен майже не поглинає світла.
У науково-популярній лекції Сергія наведено розрахунки, що гамак із графену площею в квадратний метр здатен витримати кота завважки 4 кілограми, тоді як сам гамак важив би менше за вус кота
Графен гнучкий та еластичний. Він перспективний для створення суперконденсаторів (докладніше про суперконденсатори — в інтерв’ю із Юрієм Гогоці, — TU). Графен удесятеро краще за мідь проводить тепло і в мільйон разів краще — електричний струм.
Та найцікавіше — це рух електронів у графені. Вони поводяться, як світло! Теоретичні наслідки цього і дослідили Сергій та його наставник Валерій Гусинін.
В Африку
— Нам постійно затримували зарплатню, — пригадує Сергій роки аспірантури. Ми говоримо в ресторані на Петрівці, бо так безпечніше для здоров’я — інститут, де працює науковець, погано опалюють. — Я брав довідку, що не платять зарплатні, і показував її в автобусах, аби безкоштовно їздити. Маю відчуття, що в певному сенсі ситуація повторюється. Зарплатні поки що не затримують, але постійно недоплачують. Ми добровільно пишемо заяви, просимо, аби нам платили 0.8 ставки. Ніби самі того хочемо.
Після захисту дисертації Сергій приймає запрошення університету в місті Преторія, що у Південній Африці. Тамтешня група займалася високотемпературними надпровідниками — темою, близькою до кандидатської Сергія. Апартеїд скінчився, країна стала відкритою, і вони запрошували науковців з усього світу.
— Я навіть не вагався. Хоч зарплатню платили і невелику, але регулярно. І за два роки я навіть щось відклав. Їздив на конференції, в тому числі до США. Вже тоді в Африці давали премії науковцям, що друкувалися в провідних міжнародних журналах. На жаль, система, що існувала в Африці в 1997 році, досі не запроваджена в Україні. Звичайно, те життя мало свій колорит. У Преторії було небезпечно — там високий рівень криміналу. Та я обережно поводився, вечорами особливо не гуляв.
Швейцарія. Італія. Канада. США. Подальший науковий шлях Сергія пролягав по всьому світу, по різних континентах і в різних півкулях. Та де б він не перебував, продовжував плідно співпрацювати із київськими колегами.
Електрони як світло?
У звичайному напівпровіднику виділяють валентну енергетичну зону і зону провідності. При дуже низьких температурах більшість електронів мають низьку енергію, вони приєднані до своїх атомів, тобто перебувають у валентній зоні. Та при підвищенні температури, чи то прикладанні електричної напруги, електрони отримують додаткову енергію, «перескакують» у зону провідності, стають вільними — і тоді по напівпровіднику тече струм. У металах обидві зони злиті в одну, і вони легко проводять струм, а от у ізоляторів зони сильно відділені одна від одної.
У графені все влаштовано дещо інакше. У нього також є дві зони: валентна, нижня, заповнена повністю, а зона провідності пуста. Обидві зони дотикаються у шести точках, що мають назву діраківських точок. І енергія електронів у цих точках описується тим же рівнянням, що і енергія фотонів — квантів звичайного світла.
Вперше таку поведінку електронів передбачив ще у 1947 році канадський вчений Філіп Рассел Уоллес. Та лишалося кілька питань без відповідей, і навіть фантастичні експерименти Ґейма, Новосьолова та Філіпа Кіма зі США не могли цьому зарадити: яким же рівнянням описується рух електронів у графені?
— Графен викликав у нас захоплення. З Валерієм Гусиніним ми почали працювати над цією статтею, коли я з Італії повернувся на кілька місяців до Києва — перед польотом до Канади. Трохи раніше нашими іншими статтями зацікавився Андре Ґейм, просив пояснити деякі речі. В цій роботі ми дослідили те, яким повинен бути квантовий ефект Холла в графені, якщо рух електронів таки описується рівнянням Дірака. А наукові групи Ґейма та Кіма це потім експериментально перевірили.
Сергій просить дати ручку та аркуш паперу. Списаний формулами аркуш мого блокнота — його відповідь на прохання простими словами описати квантовий ефект Холла. Формули — найлегший спосіб порозумітися двом фізикам.
З Америки в Україну
— В межах Швейцарії науковці їздять на семінари між різними містами активніше, аніж в Україні між інститутами в межах одного міста, — пояснює переваги швейцарської наукової спільноти Сергій. — Вся Швейцарія розміром з Київську область і перебуває в когерентному стані — велика інтенсивність зв’язків між науковцями. Я жартую, що мені в Києві з Троєщини доїхати в інститут у Феофанії те ж саме, що в Швейцарії приїхати на семінар у Цюрих із Невшателя, де я працював.
Коли Сергій працював в університеті Мак-Мастер поблизу Торонто, його дружина викладала українську мову в недільній школі. Спочатку на волонтерських засадах. Згодом почала отримувати за це помірковану платню. Це була діяльність на користь спільноти і заради збереження власної ідентичності. Одночасно дружина працювала перекладачкою у лікарнях, соціальних службах, поліції. Це була дуже напружена робота як інтелектуально, так і психологічно. Та й доводилося перекладати з однієї іноземної мови — іншою іноземною, в основному між англійською та французькою і між англійською та китайською (путунхуа) мовами.
Науковець каже, що Швейцарія і Канада — це місця, де «можна забути, що навколо тебе, і просто займатися наукою».
— Взагалі на Заході науковці намагаються позбутися адміністративного навантаження. Моїм керівником у Швейцарії був директор інституту. Він вважав це за неприємний обов’язок, адже така робота заважала науці. В Україні ж усі намагаються вхопитися за вищу позицію. Я повернувся в Україну 2008 року, бо вважав, що умови тут були кращими за ті, що я мав в Америці. З точки зору доступу до найкращих студентів — у Києві їх знайти легше, ніж в маленькому американському містечку. Цікавіше викладання: можна вести власні спецкурси, близькі до моєї наукової тематики, а не загальні, як у США.
Викладати Сергію подобається, особливо коли студенти активні і цікавляться фізикою.
— Я ніколи не бігаю за студентами. Якщо вкінці року мені студент приносить піваркуша із формулами, більшість із яких неправильні, ми прощаємося. Зате я охоче приділяю час і допомагаю тим, хто щиро цікавиться наукою, з ними ми публікуємо хороші роботи в міжнародних журналах.
— Що я можу порадити молоді… В Україні є сильні наукові групи, в яких можна зробити хорошу дисертацію. Поїхати в магістратуру чи аспірантуру за кордон — також хороший шлях. А далі — робити міжнародну кар’єру і приглядатися, чи будуть в Україні йти світові процеси. Багато науковців повертаються в країни, що розвиваються, в Китай, наприклад. Сподіваюся, влада схаменеться і їм буде куди повернутися.
Подвоєні непарні числа
Якщо через провідник, наприклад, шматок металу, пустити струм, перпендикулярно до нього ввімкнути магнітне поле, то перпендикулярно до струму і поля виникне електрична напруга. Уявили? Це класичний ефект Холла, відкритий в 1879 році. Поділимо цю напругу на струм у цьому ж напрямку за законом Ома, який з’являється ще у шкільних підручниках, і отримаємо опір Холла.
Майже через століття нобелівський лауреат Клаус фон Клітцинг показав, що у напівпровідниках при низьких температурах (дуже низьких, приблизно -270 градусів за Цельсієм) опір Холла виявляється квантованим — тобто він змінюється не неперервно, а стрибками, порціями. Цей опір можна виміряти. Він настільки точний, що став еталоном опору. У рівнянні для холлівського опору є число, фактор заповнення, який точно вирахували Сергій із колегою.
— Експериментатор завжди може сказати, мовляв, ви, теоретики, зробили цікаву річ, але я вам не вірю! — розводить руками науковець. — Тоді ми йому кажемо: виміряй ось це і ось це, має зійтися. Коли група Ґейма вимірювала квантовий ефект Холла у графені, він запитав у нас дещо. У відповідь я, між ділом, написав, що фактор заповнення має бути низкою подвоєних непарних чисел — 2, 6, 10… І Ґейм у відповідь: так і є! Єднання теорії та експерименту — найкрасивіша штука, яка взагалі може бути.
Єднання теорії та експерименту — найкрасивіша штука, яка взагалі може бути
Так питання щодо описання руху електронів у графені було знято. Після повернення в Україну за цю статтю та інші роботи, присвячені графену, Сергій отримав державну премію в галузі науки і техніки. Та найважливіше, що це дослідження стало корисним для інших науковців — статтю процитували більш як 800 разів.
— На мене посилалися у своїх роботах нобелівські лауреати, в тому числі в нобелівських лекціях. В їхніх основних статтях є навіть подяки мені за обговорення. Чомусь наші журналісти фетишизують це «ах, на вас посилалися нобелівські лауреати». Та це лише означає, що була написана хороша, корисна іншим вченим робота.
Змагатися з Німеччиною та Нідерландами
— Теоретик не може просто сісти за стіл і сказати: «Я зроблю велике відкриття». Просто робиш своє діло, інколи спрацьовує, інколи — ні. Підтримуєш власний рівень публікаціями в міжнародних журналах певного рівня, не розпорошуючись на ті, що в Україні називають «мурзілками». З одного боку кажуть, що ці журнали треба підтримувати, надсилати туди статті. Та коли працюєш в Україні, і так маєш постійне відчуття змарнованого часу — забагато на бюрократію витрачається. Тому писати туди і туди у мене немає можливості, намагаюся писати в добрі міжнародні журнали, хоч одну-дві статті на рік, — говорить Сергій.
Він додає, що проблеми з експериментальною наукою в Україні пов’язані насамперед із її дорожнечею.
— В Канаді у мене був чудовий досвід — працював поряд із експериментаторами. Вони вивчали високотемпературні надпровідники, а ми для аналізу їхніх результатів отримали формулу, яка дала змогу краще зрозуміти можливий механізм виникнення високотемпературної надпровідності. І вже потім, коли я багато років жив в Україні, до мене знову звернулися по допомогу. В Україні подібні колаборації — рідкість.
У 2010 році Сергій став доктором фізико-математичних наук і виграв грант для молодих докторів наук — 150 тисяч гривень. З точки зору суми та витрачених бюрократичних зусиль, це його найкращий український грант. Адже багато грантів додають до зарплатні усього 2-3 тисячі гривень у рік, а вовтузитися із документами нереально складно.
— Раніше були гранти «ЄС + Україна», для яких нас розглядали як країну третього світу. Зараз діє програма «Горизонт 2020», де Україна та країни ЄС виступають на рівних. І змагатися з Німеччиною чи Нідерландами за грантові гроші стало майже неможливо. Де там, навіть Італія та Іспанія їм програють!
Хоча б закону дотримуватися
— Зараз безнадійніше, ніж у 90-ті, — бідкається вчений. — Тоді був злам, відчуття, що колись ситуація зміниться. Керівники держави казали, що хочуть, але не можуть фінансувати науку. Так само й інші бюджетні сфери тоді недофінансовували. Але надія була. Зараз не так скрутно, та незрозуміло, чи взагалі очільники держави бачать науку в Україні, чи хочуть звести її нанівець?
Сергій зауважує, що в законі про науку чітко прописано: 1.7% ВВП мають спрямовувати на фінансування науки, але жодного разу за часів незалежності цей показник не було виконано навіть близько.
Утім, шанс на зсув у вітчизняній науці все ж є — його Сергій вбачає у запуску Ідентифікаційного комітету, що буде обирати Науковий комітет Нацради з питань розвитку науки і технологій і мав би не допускати до нього псевдонауковців або ж впливових бюрократів від науки.
— Потім вже Науковий комітет має працювати із Кабміном, обговорювати перспективні наукові напрямки, запустити державний фонд фундаментальних досліджень, щоб більшу частину грошей розподіляли через гранти і конкурси. Головна для мене річ — аби зупинити українські «міжсобойчики», коли гранти пишуть українською і оцінюють всередині України. Тільки англійською і з залученням іноземців! Щоб гранти давали за зміст, а не тому, хто начальник.
Стопроцентний плагіат
— Останнім часом вибухнуло декілька скандалів, пов’язаних із плагіатом, і я зрозумів, що держава не розрізняє науковців, які пишуть статті для продукування наукового знання, і псевдонауковців у широкому сенсі, в тому числі тих, хто імітує науковий процес — заради позицій, звання. Гроші рівномірно розпилюються. Тому я витрачаю багато часу на співпрацю з групою «Дисергейт». Я сприймаю це як громадянський обов’язок. За останній рік я побачив, що треба кричати, бити у всі дзвони, аби зупинити потік псевдонауки, брехні, плагіату.
Група «Дисергейт» перевіряє дисертації, які привернули увагу наукової спільноти, на наявність плагіату, приділяючи особливу увагу можновладцям, науковим чиновникам. Вона виникла за аналогією із російською групою «Дисернет», для захисту від якої Держдума навіть ухвалила закон, що забороняє позбавляти ступеня плагіаторів, якщо ступінь вони отримали більш як три роки тому. Проте одного депутата-плагіатора ступеня таки позбавили, хоч і з погрозами для життя основних виконавців.
Система обороняється. В Україні неможливо позбавити людину наукового ступеня за плагіат
— Система обороняється. В Україні неможливо позбавити людину наукового ступеня за плагіат. За старими правилами можна було, але їх вже скасували, а нова процедура позбавлення ступеня за участю НАЗЯВО ще не працює. В медицині страшна ситуація, коли фальсифікують наукові дослідження — просто через гугл-перекладач адаптують російські докторські до наших умов. В одній докторській знайшли фразу «тихорєцький імунітет» замість «тканинний імунітет». Людину вдалося позбавити ступеня, та це було давно. Особисто я приділяю в цій спільноті головну увагу не плагіату, а псевдонауці. Я вважаю себе достатньо освіченим, аби зрозуміти, коли людина пише псевдонаукову маячню саме з фізики.
Країна, варта захисту
Андре Ґейм висловлював занепокоєння станом світової науки. На його думку, на фундаментальні дослідження, тобто продукування нових знань, виділяють недостатньо грошей, тоді як прикладна наука не зможе використовувати наявних знань вічно. Сергій поділяє його занепокоєння, особливо в контексті українських реалій. На його думку, українські можновладці зовсім не розуміють, як працює фундаментальна наука і що її результати можуть непередбачуваним чином відгукнутися в зовсім інших сферах.
— Якщо український спортсмен переміг на Олімпійських іграх, чи то Кличко виграв черговий бій, ми пишаємося. Та, як на мене, якщо український науковець зробить значний внесок у світову науку, це набагато крутіше. Адже через 100 років якогось боксера згадають лише фанати боксу, а от відкриттям нобелівського рівня буде користуватися усе людство, і відкриття буде асоціюватися з Україною.
— Я намагаюся привчити публіку, що є різниця між прикладними і фундаментальними дослідженнями. Люблю таку історію, — Сергій дістає із рюкзака роздрукований текст, заготовлений для публікації у виданні Верховної Ради, і читає свої нотатки. — У 1969 році американський вчений Роберт Вільсон виступав перед комісією Конгресу щодо виділення грошей на побудову лабораторії, відомої нині як Фермілаб.
Вільсона запитали, який цей дорогий проект має стосунок до обороноздатності країни, на що той відповів: «Він має стосунок до поваги, з якою ми ставимося один до одного, до гідності людини, до нашої любові та культури. Він має стосунок до того, чи добрі ми художники та скульптори, чи великі ми поети. Я маю на увазі все те, чому ми вклоняємося та що шануємо у нашій країні і до чого маємо патріотичне почуття. У цьому сенсі це нове знання має все спільне з гідністю та країною, але воно не має нічого спільного з безпосереднім захистом країни, за винятком того, що воно робить країну вартою захисту».
