[Цим текстом ми розпочинаємо спецпроект «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]
***
Уявімо собі, що традиційні батарейки та акумулятори замінять альтернативні носії енергії, а на зміну металевим двигунам внутрішнього згорання прийдуть керамічні, що працюватимуть у кілька разів ефективніше, — і станеться переворот у світовій автоіндустрії. Або що світло у вашій кімнаті йтиме від джерела, яке по-новому зберігає енергію. Це звучить доволі фантастично, проте саме такі наслідки світового масштабу можуть мати відкриття вченого українського походження Юрія Гогоці.
Завдяки його дослідженням зрозумілішою стала робота так званих суперконденсаторів, або ж йоністрів, що уможливлює підвищення рівня зберігання енергії. Юрій Гогоці є найцитованішим українським науковцем у світі, а його індекс Гірша перевищує цей показник багатьох нобелівських лауреатів.
Народився та виріс Юрій у Києві, проте його науковий шлях пролягав заплутаними маршрутами. Після падіння залізної завіси вчений-матеріалознавець їде за стипендією Гумбольта в Німеччину, далі його чекали Японія, Норвегія й Америка. Останні двадцять років Юрій Гогоці є професором Дрексельського університету у Філадельфії. Проте він часто повертається в Україну і продовжує працювати з тутешніми інституціями.
Калюжі
Усе почалося з того, що малий бешкетник кидав натрій у калюжі й туалет.
— Все горіло, було цікаво та красиво, — згадує сміючись Юрій Гогоці.
Після таких витівок батько Юрія, видатний вчений у галузі механіки матеріалів Георгій Гогоці, вирішує віддати малого експериментатора в хімічний гурток. Чи не одразу стає зрозуміло, що інтуїція не підвела. За іронією долі, у школі на уроках хімії, коли розподіляли книги, Юрію не вистачило підручника. Попри це, вже через кілька місяців, просто слухаючи уроки, Юрій знав хімію найкраще в класі, а, можливо, ліпше й за саму вчительку.
— Очевидно, що, виростаючи у сім’ї наукового працівника, я брав батька за приклад, — каже вчений. — Я читав його статті, бачив, як він їздить на конференції та займається в лабораторіях. А він брав мене з собою на роботу в інститут. Я радився з ним, а він, своєю чергою, підштовхував мене вчитися. Безумовно, батько дуже вплинув на те, що мене зацікавила наука.
Після закінчення школи Юрій іде подавати документи в Київський університет.
— Але мене завернули. Я дальтонік, недостатньо добре відрізняю кольори, що для хіміка дуже погано. І поки я назубок вивчав книжечку, за якою перевіряють зір, мій батько зауважив, що в Політехнічному інституті є кафедра порошкової металургії, де викладають те, що мене цікавить. Тоді мене саме цікавила хімія та високі температури, — згадує науковець. — Я пішов глянути. І так вступив у КПІ.
Двигуни нового покоління
Після навчання в КПІ Юрій Гогоці захищає кандидатську дисертацію в Інституті матеріалознавства про високотемпературну корозію кераміки для двигунів. Простіше кажучи, йдеться про заміну металевих двигунів внутрішнього згорання на керамічні.
— У 70-х роках був неймовірних спалах зацікавлення цією темою. Важливо було підвищити ефективність двигунів, адже всі очікували, що ціни на нафту та газ зростатимуть. ККД теплового двигуна залежить тільки від різниці температур. Якщо двигун зможе працювати за високих температур, то функціонуватиме ефективніше. Потрібно було замінити метал на кераміку. І почались програми з виготовлення цих керамічних двигунів. Учені дуже добре впорались із завданням. Але чи їздить зараз хтось на машинах із керамічними двигунами? — риторично запитує Юрій Гогоці. — Ні. В «мерседесах» є керамічні деталі, як і в японських машинах, але це лише частинки. Ціни на нафту перестали рости. А керамічний двигун утричі дорожчий, аніж металевий. Тобто вчені зробили свою частину, проте економічний ринок не дозволив їм увійти в систему.
Так, мало хто знає, що електричні автомобілі з’явились насправді ще на початку ХХ ст., до винайдення двигуна внутрішнього згорання.
— Інженери використовували свинцеві акумулятори — і перший електромобіль міг їхати зі швидкістю понад сто кілометрів на годину, — розповідає вчений. — Протягом ста років бензин витісняє електричні двигуни. Тільки зараз ми починаємо повертатися до цієї ідеї. Але це показує, як працює ринок, коли наукові проблеми вирішені, але ці відкриття нікому не потрібні. Проте через сто років можуть пригодитися. Можливо, так станеться і з керамічними двигунами. Зараз є до них інтерес, однак не до автомобільних, а до тих, що для турбін літаків, для надзвукових швидкостей.
Сам учений їздить на бензиновій «BMW», проте зізнається: наступна його машина може бути електромобілем:
— Я доволі консервативний, не часто змінюю телефони, комп’ютери та іншу техніку. Але до електромобілів приглядаюсь.
Коли котлети смакують інакше
У 1990 році, коли Горбачов відкриває кордони, Юрій Гогоці їде за стипендією Гумбольта у Німеччину на докторантуру.
— Ситуація була складною, — згадує вчений. — Мені було просто цікаво подивитися, як працюють люди за кордоном, як живе світ. Я вступив у докторантуру, поїхав до Німеччини і через рік збирався повернутися до Києва в Інститут проблем матеріалознавства. Але за той рік дуже багато чого змінилось. По-перше, в Україні почала занепадати наука. Не було соціального замовлення. На аспірантську стипендію неможливо було вижити. По-друге, я зрозумів, які можливості відкриті в Німеччині. І що багато з того, що мені здавалося нормальним у Радянському Союзі, насправді не є нормальним. Що для того, аби надіслати листа колезі за кордон, мені не потрібно йти до бухгалтера, потім директора інституту та керівника першого відділу, підписувати документ, що я відправляю факс за кордон. Та котлета, яку я їв у буфеті в інституті і яка здавалась мені доволі смачною, стала іншою на смак. Я зрозумів, що не хочу більше її їсти.
У мене з’явилася можливість спілкуватися з людьми, книги яких я читав, будучи ще аспірантом. Я працював та їздив з ними на конференції. Це була колосальна можливість для наукового розвитку. Це вплинуло на моє рішення. Замість того, аби повернутись до Києва, я залишаюсь іще на рік у Німеччині, а потім їду в Японію дивитися, як виготовляють найкращу на той час високотехнологічну кераміку. Далі, так би мовити, мій шлях повертається в напрямку Америки.
Людина великого міста
Учений їде спочатку до Чикаго, а через чотири роки до Філадельфії. Каже, факт його зростання у Києві вплинув на те, що його завжди тягнуло до великих міст. І додає, що Філадельфію, у якій він живе вже понад 16 років, певним чином можна порівняти з Києвом — великі масштаби, інфраструктура, розмаїте культурне життя.
— Мені пропонували перебратися в інші університети у маленьких містах, але в мене не було відчуття, що там я почуватимусь комфортно.
Токіо, Осло, Чикаго, Філадельфія — перелік міст, де жив та працював Юрій Гогоці, доволі колоритний. Проте, як стверджує сам учений, ніщо не заважає йому почувати себе комфортно у кожній частині світу.
— Я знаю, що міг би жити в багатьох європейський країнах, — зізнається Гогоці, — але в той же час мені подобаються такі космополітичні міста, як Сінгапур, скажімо. Я дуже люблю Україну, але для того, аби там жити, мені потрібна можливість займатися там науковою роботою. Через це я дивлюсь на світ як на великий дім. Це трохи незвичний підхід, але так склалося моє життя.
Я дивлюсь на світ як на великий дім. Це трохи незвичний підхід, але так склалося моє життя
Життєві маршрути Юрія Гогоці можуть пролягати десь поміж Гаваями, Мексикою, Флоридою чи Японією, а вибирати часом доводиться між поїздкою на острів Маврикій на конференцію, де буде президент країни, та співбесідою у Вашингтоні. Ми жартома запитуємо, коли ж учений спить, якщо має такий насичений графік.
— Сон — марна трата часу. Звичка, — віджартовується науковець. — Проте коли часто змінюєш часові пояси, то пристосовуєшся спати там і тоді, коли є можливість. Ритм життя дійсно скажений, однак позитивні результати міжнародної співпраці та можливість працювати з колегами з різних країн компенсують мені ці незручні моменти мандрівного життя.
Щойно вчений-матеріалознавець повернувся з Китаю, де домовився про створення лабораторії в одному з найкращих вишів цієї країни — Цзілінському університеті в місті Чанчунь.
Зберегти енергію
У Дрексельському університеті науковець працює у великій міжнародній лабораторії із командою у тридцять людей — учених із дванадцяти країн.
— Кожен із них додає щось своє, люди вчаться жити разом, незважаючи на різне походження, мови та релігії. Об’єднаним спільними інтересами людям дуже легко співіснувати, — переконаний Гогоці. — Хтось може не їсти вдень під час Рамадану, хтось — іти вранці у неділю до церкви, та це не заважає їм бути добрими колегами та разом вирішувати наукові проблеми. На мій погляд, такі лабораторії є зразком суспільства майбутнього.
У лабораторії такого зразка Юрій Гогоці спільно з командою займається вивченням суперконденсаторів — пристроїв для зберігання електричної енергії, що схожі на батарейки чи акумулятори.
Якщо ми зможемо виробляти достатньо енергії з відновлюваних джерел, якщо ми зможемо її якісно запасати, то дуже сильно змінимо світ
— Ми пояснили механізми роботи суперконденсаторів та придумали, як можна підвищити рівень енергії, яку вони зберігають, — розповідає вчений. — Це було дуже на часі, коли почала розвиватися портативна електроніка, бо тоді якраз різко зріз інтерес до відновлюваних джерел енергії . Сонячні батареї, вітряки… Для усіх портативних інтернет-пристроїв потрібно буде зберігати енергію. Якщо ми зможемо виробляти достатньо енергії з відновлюваних джерел, якщо ми зможемо її якісно запасати, то дуже сильно змінимо світ.
Максени для очищення води
— Ключовими для нових технологій є матеріали, — пояснює Юрій Гогоці. — П’ять років тому разом із колегами з Дрексельського університету ми відкрили нове сімейство матеріалів, які назвали максенами (MXenes). Це двовимірні карбіди та нітриди перехідних металів — нові матеріали з новими властивостями, про які невідомо було раніше. І зараз ми синтезували близько двадцяти нових максенів, робимо структури товщиною один нанометр, працюємо над тим, аби створити нові акумулятори. Захист від електромагнітних хвиль чи очищення питної води — також під силу максенам.
Важко передбачити, яке практичне значення можуть мати ці відкриття. Проте вчений припускає, що максени будуть застосовувати для зберігання енергії та виготовлення нових електронних пристроїв:
— Я радий сказати, що вже зараз Дрексельський університет веде перемовини з великою компанією про виробництво цих матеріалів. Де їх будуть іще використовувати? Побачимо. Можливо, в електронних приладах, медицині, очищенні питної води. Ми досліджуємо усі можливості, і час покаже, що насправді піде в промисловість.
Місце української науки
Нещодавно Юрій Гогоці взяв так звану «sabbatical» — річну відпустку, можливість змінити буденну рутину. Вчений використав її для роботи у великому проекті, присвяченому фундаментальним властивостям матеріалів, у Національній лабораторії Оак-Рідж.
— За цей час я набув неймовірно велику кількість нових контактів, — зізнається Юрій Гогоці. — Тепер маю колег із Кореї, Японії, Австралії, Ізраїлю, Англії, Франції. Це дуже важливо, адже наука завжди була міжнародною.
По-перше, потрібен інтерес до науки, по-друге — умови: обладнання, колектив та фінансування
Вчений переконаний, що для української науки зараз неймовірно важливо стати частиною міжнародної системи:
— Треба навчитися робити щось краще за інших. Використати досвід колишньої радянської науки, поєднати із сучасними розробками. Є потенціал: люди з доброю освітою та щирим науковим інтересом.
Порівнюючи свій досвід роботи у різних країнах, Юрій Гогоці наголошує, що науковець мусить дозволити собі жити на зарплату:
— Це дає змогу зосередитись на науці і не думати про те, як вижити, як забезпечити сім’ю, як зібрати гроші на квартиру. Якщо людина може достатньо заробляти, працюючи в науці, тоді вона має час зосередитись на дослідженні. Це те, що необхідно змінити в Україні, аби можна було будувати наукову роботу. Це те, що змінив Китай, коли різко підвищив зарплати науковим співробітникам, привертаючи увагу також тих, хто вчився та працював в інших країнах, і заохочуючи їх повернутись. Так було в Сінгапурі, в Кореї, на Тайвані.
Для цього, наголошує він, передовсім необхідне соціальне замовлення.
— У 90-ті роки я знав, що дослідження, якими я займався, — нанотехнології та нові матеріали, — були важливими та цікавими, — згадує вчений. — Навіть зараз мене запрошують на конференції по цілому світі, оплачують квитки у бізнес-класі, аби я на день прилетів кудись, а в рідному Інституті проблем матеріалознавства в Києві останній раз я виступав, мабуть, років десять тому. Хоча загалом буваю там двічі-тричі на рік.
Для цього не потрібно мільярдних капіталовкладень, в Україні є багато випускників вишів із достатніми знаннями, аби втягнутися в науку. Їм потрібні лише люди, які зможуть показати вектор
По-перше, потрібен інтерес до науки, по-друге — умови: обладнання, колектив та фінансування. У мене були дуже великі надії на зміни в Україні, коли Президентом став Петро Порошенко, адже йшла мова про те, що знову може настати зірковий час української науки. Але, на жаль, ситуація з Кримом та на сході України все змінила. Всі сили спрямовані на те, аби вирішити ці питання, а не на підтримку науки й економіки. Це сумно, але факт. Я не очікував, що Україна може бути втягнутою у війну, але політика та політичні ігри — річ непередбачувана. Саме тому наука мені подобається набагато більше, ніж політика.
В Україні, на думку вченого, важливо штовхати вперед обчислювальну науку, а потім піде в хід і експериментальна:
— Для цього не потрібно мільярдних капіталовкладень, в Україні є багато випускників вишів із достатніми знаннями, аби втягнутися в науку. Їм потрібні лише люди, які зможуть показати вектор. На мій погляд, розвиток теоретичної та обчислювальнoї науки — це та сфера, де вже є велика кількість наукових працівників, людей із достатньою комп’ютерною грамотністю, які могли б швидко себе реалізувати.
— Україна завжди приваблює мене атмосферою, мені завжди приємно прилетіти сюди, — зізнається Юрій Гогоці. — І Київ став значно красивішим, аніж у 80-90-ті роки. В Америці я знайшов свій куточок, проте, мабуть, таки не можна замінити рідних місць.
В Америці плине його звичне життя: підйом о шостій ранку, тоді — відповіді на електронні листи, які надходять зі всього світу, а за ніч їх накопичується чимало, година дороги електричкою посеред природи, далі — університет, студенти, статті, засідання, пари.
— Нічого особливого, — каже Гогоці.
14-18 годин — його нормальний робочий день. Окрім того, теніс, ранкові пробіжки, кіно.
— Шкода, що читати є все менше часу. Я дуже люблю і художню, і наукову літературу. Проте зараз наука — моє головне хобі. Мене іноді запитують, чи не хочеться мені посидіти, полежати, нічого не робити. Я кажу: «Ні! Мені значно цікавіше прочитати чи написати нову наукову статтю!».
***
Концентрована енергія
Як суперконденсатори та двовимірні кристали змінять світ
Уявіть собі батарейку в комп’ютері чи телефоні, яку можна зарядити за хвилину-дві і яка триматиме заряд значно довше від звичайної, а перезаряджатися буде мільйони разів замість теперішніх кількох сотень чи двох-трьох тисяч. І все це за температури до мінус 40 градусів, за якої звичайні смартфони вже ледь дихають. Наразі такі батареї розроблюють учені та інженери, частково їх уже використовують у промисловості, а згодом без них складно буде уявити нашу цивілізацію. Великий внесок у ці дослідження зробив Юрій Гогоці.
Індекс Гірша — це показник наукової впливовості науковця. Він відображає затребуваність та активність ученого
Індекс Гірша — це показник наукової впливовості науковця. Він відображає затребуваність та активність ученого. Коли ми починали робити матеріал про Юрія Гогоці, його індекс Гірша за базою Google Scholar дорівнював 94, тобто на 94 написані ним наукові статті інші науковці посилалися щонайменше 94 рази. Під час написання цих рядків індекс становив уже 95. Це дуже великий показник, у багатьох нобелівських лауреатів він менший. Можна стверджувати, що Юрій зараз є найцитованішим українським ученим. На його наукові праці посилаються більш як 41 тисячу разів, із яких понад 6 тисяч разів — на статтю про суперконденсатори, що вже зараз роблять революцію у сфері зберігання енергії.
— Наша робота дала поштовх розвитку науки в цьому напрямку, і, як результат, її багато цитують, — пояснює успіх своєї статті Юрій. — Скоро суперконденсатори знадобляться усім. Ваша автівка майбутнього заряджається від сонячної батареї, та вночі їхати також треба. І ось тут конденсатори надвеликої ємності стануть у нагоді.
На шкільних уроках фізики навчають, що конденсатор складається із двох паралельних обкладинок (електродів), заряджених до зарядів протилежних знаків і розділених дуже тонким шаром ізолятора (діелектрика). Такий пристрій здатен зберігати електричний заряд. Важко навіть навести приклад електроніки, де не використано конденсаторів. Скрізь, де потрібно запасати, а потім віддавати енергію, налаштувати прийом-передачу електромагнітних хвиль, — конденсатори незамінні. Проте ємність сучасних конденсаторів має межі. Що вона більша, то більша площа обкладинок та менша відстань між ними. Збільшувати обкладинки нераціонально, адже тоді пристрої будуть величезними, а безкінечно зменшувати відстань неможливо.
Суперконденсатор убиває двох зайців — він має велетенську площу поверхні за малих розмірів, а також найменшу з можливих відстань між імпровізованими обкладинками. Його електродами слугує пористий матеріал на кшталт активованого вугілля. Через велику кількість пор активоване вугілля має велетенську площу поверхні, яка може сягати трьох тисяч квадратних метрів для лише одного грама речовини. Це майже половина футбольного поля! Відстань між електродами заповнена електролітом — речовиною, яка легко розщеплюється на позитивні та негативні йони (заряджені атоми). При подачі напруги на таку конструкцію йони збираються — адсорбуються — на поверхні пор, яка набуває протилежного до них заряду. Утворюється так званий подвійний електронний шар — тепер поверхня активованого вугілля, протилежно заряджена з різних боків, стає конденсатором із дуже-дуже малою відстанню між зарядами — в десятки мільярдів разів меншою за метр.
Що іще потрібно для щастя? Тільки новітній матеріал, який зможе зробити суперконденсатори ще кращими, адже їхня ємність усе ж не дотягує до звичних нам літій-йонних батарейок. І команда Гогоці відкрила такий матеріал.
— Дотепер в основному в суперконденсаторах використовували активоване вугілля, — продовжує Юрій. — Те саме, яке використовують у фільтрах для води в акваріумах або у таблетках, які приймають люди вранці після того, як увечері випили забагато. Ми думаємо, що покращили суперконденсатори такого типу майже до можливих фізичних меж. Проте є й інший варіант — використовувати так звані псевдоконденсатори.
Вони працюють ніби як конденсатори з подвійним електронним шаром. Та насправді у них на поверхні відбуваються електрохімічні реакції — як в літій-йонних акумуляторах. У результаті ми можемо запасти значно більше енергії. Псевдоконденсатори будуть запасати і віддавати енергію так само швидко, як традиційні конденсатори, проте її буде настільки багато, як у літій-йонних акумуляторах.
І ось тут можуть бути корисними максени — сімейство матеріалів, відкритих у Дрексельському університеті 2011 року. Це двовимірні, або 2D-кристали. Вони дуже тонкі, усього кілька атомних шарів, та мають відносно велику площу.
Перший 2D-кристал, графен, отримали лише 2004 року фізики з Манчестера Андрій Гейм на Костянтин Новосьолов, яким за це епохальне відкриття присудили Нобелівську премію. Коли ви малюєте олівцем, на папері залишаються шматочки графіту. Один атомний шар графіту — це якраз графен, його можна відщепити звичайним скотчем (кажуть, що «Нобелівка» Гейма та Новосьолова — остання премія, видана за зроблене підручними засобами відкриття). Атоми вуглецю об’єднані у шестикутники, які можна порівняти із сіткою у футбольних воротах чи бджолиними стільниками. Хоча тоншого матеріалу не може бути, він має виняткові властивості — добру електропровідність та велику міцність.
Відкриті Юрієм матеріали складаються із шарів вуглецю або азоту, що розташовані між двома шарами металу. Наприклад, максен Ti2C — це такий собі атомний «сендвіч»: шар вуглецю — ніби котлета, затиснута шматками «хліба» з титану. Це найпростіший «сендвіч» такого типу, адже максени бувають справжніми «біг-маками» — коли кілька «котлет» затиснуті кількома «хлібинами».
Юрій наголошує, що ніколи не можна сказати напевне, де знадобиться новий матеріал:
— Де будуть іще використовувати? Побачимо. Можливо, в енергетичній галузі, у нових смартфонах, у медицині, для очищення води. Ми досліджуємо усі ці можливості — і час покаже, що зацікавить промисловість.
Усі фото — Kathy Park
Окрема подяка — Марічці Удуд
