Новые материалы важны для научного поиска, а также для индустрии - аккумуляторов электрокаров, «зеленой энергетики», дешевого хранения и выработки электроэнергии.

В издании  "Тиждень [2]" поговорили с Максимом Коваленко, профессором и руководителем группы функциональных неорганических материалов Федеральной высшей технической школы Цюриха, о синтезе новых материалов для промышленности и об эффективном взаимодействии бизнеса и науки.

- Как вам удалось пройти путь от выпускника Черновицкого университета до профессора в Федеральной высшей технической школе Цюриха?

-  Он не был прямым. Когда я учился на бакалавриате, то вместе с руководителем кафедры неорганической химии в Черновцах поехал на неделю в Австрию. Там я познакомился со своим будущим научным руководителем в Линце. И в последующие годы, еще будучи студентом в Черновцах, уже ездил к нему на стажировку. Хотя я химик, а он физик, и я почувствовал, что мне будет хорошо в его команде. Сразу после окончания университета я поехал в Линц в аспирантуру.

На эту тему: Наука в «вакууме» украинских университетов [3]

В Черновцах я занимался тем, что химическими методами синтезировал наночастицы теллурида кадмия в коллоидных растворах. У нас еще хватало ресурсов на химические эксперименты, однако не было возможности для физических опытов - люминесценция, температурные зависимости. Ведь экспериментальная химия и физика очень зависимы от финансового обеспечения. В этом чувствовалась пропасть между Украиной и Австрией, даже несмотря на то, что в Черновцах было хорошо, по сравнению со многими другими местами нашей страны. Такова была одна из причин сотрудничества. Я ездил в Австрию, где в одиночку делал химические эксперименты, а вместе с членами группы - физические. Телурид кадмия излучает в видимой области спектра, и затем мы начали исследовать телурид ртути, который излучает в невидимом, инфракрасном диапазоне. И мой руководитель в Австрии был как раз специалистом по инфракрасным материалам.

- И это стало темой вашей диссертации?

- Да, моя тема - «Синтез и характеризация наноматериалов, активных в инфракрасной области». Люминесцентные материалы важны для коммуникационных целей. Есть спектральные диапазоны, в которых оптические волокна имеют высочайшую прозрачность, следовательно потери при передаче информации являются меньшими. А также они потенциально важны для биологии как люминесцентные метки, чтобы вводить в организм. Лазеры, излучатели, детекторы - наночастицы полупроводников интересны для этих сфер и технологий и местами лучше своих более объемных версий.

- Чем именно наночастицы лучше объемных материалов?

- Варьируя их размеры, легко менять ширину запрещенной зоны. Просто смешивать с другими материалами и создавать гетероструктуры. Запретная зона - это та энергия, при которой происходит переход между полным поглощением света материалом и его же полной прозрачностью для света. Запретная зона говорит нам, до каких длин волн, от коротких до длинных, детектор будет работать. Наночастицами можно манипулировать как большими молекулами. На их электронные свойства можно влиять составом их поверхности. Есть методы легирования полупроводников, доступные для наночастиц и невозможные для объемных материалов. Такой материал, как телурид ртути, является полуметаллом, не слишком годится для инфракрасных технологий, и в виде наночастиц имеет запрещенную зону. Так можно использовать материалы, которые в объемном виде не имеют никакой пользы.

- После защиты диссертации вы поехали в Чикаго. Сменили там научную тему?

- Если в аспирантуре я больше занимался синтезом наночастиц, их оптическими свойствами, то в Чикаго уже перешел к химии их поверхности. Я был автором первой статьи, в которой показано, как избавить поверхность от молекул, которые мы используем в синтезе, и заменить их на неорганические молекулы, позволяющие интегрировать наночастицы в различные приборы. Это была звено, которого не хватало между синтезом наночастиц и их применением. Эта работа была фундаментальной и практически важной для всей области исследования. Ее мы опубликовали в Science в 2009 году, и до недавнего времени это была моя наиболее цитируемая статья. Остальные научные работы того периода - адаптация этой методики к материалам различной направленности: от термоэлектричества до инфракрасных детекторов.

- Какими научными темами вы занимаетесь сейчас?

- После переезда в Швейцарию в 2011 году я еще немного по инерции занимался своей бывшей темой, неорганической химией поверхности, и в первые несколько лет перешел к аккумуляторам, точнее, к новым материалам для них. А в 2014 году начал заниматься наночастицами перовскитов, которые в качестве источника света оказались лучше всего, что мы исследовали до сих пор.

- Что вас заставило снова переехать в Европу и изменить тему?

- В Америке я несколько лет был постдоком (стадия постдокторантуры, повышение квалификации ученого. - Ред.). Эта статья в Science и еще несколько работ после нее вышли в первые годы. Обычно, когда постдоки имеют уже определенные достижения, они ищут или независимую научную карьеру, или переходят в индустрию. После успешных статей я почувствовал в себе силы для независимой работы. Примерно тогда начался экономический кризис [4], во многих университетах уменьшилось количество позиций. Я искал работу и в Америке, и по всему миру. Отправил около 50 резюме. На них получил семь приглашений на интервью, из которых - пять предложений о работе. Это очень хорошая статистика. Два в Америке, по одному в Великобритании, Германии и Швейцарии. Самым привлекательным показался последний вариант.

Институт в Цюрихе был первым местом, куда я отправил резюме, но на собеседование они пригласили только через полгода. В объявлении было четко написано, что они ищут профессора неорганической химии и прежде всего для разработки новых материалов для аккумуляторов. Я это проигнорировал - видимо, потому, что обычно человек предлагает то, что хочет сам делать, а не то, чего хочет кто-то. Поэтому я отправил в институт тот же пакет документов, что и в другие места. А на собеседовании я уже забыл, что в объявлении просили другую тематику. В моем институте такая особенность, что все кандидаты приходят на собеседование в одно время и видят выступления своих конкурентов. Когда я их слушал, то думал - странно, я здесь один с наноматериалами, а другие все электрохимики, которые имеют опыт с аккумуляторами. На встрече с комиссией я представил все свои планы, мы их обсудили. У одного из членов комиссии, как я потом понял, представителя промышленности, лопнуло терпение, и он спросил о моих планах относительно батареек. Институт на такие собеседования зовет представителей технологического бизнеса, касающихся желаемой тематике. И тут я все вспомнил, что перелетел во времени на полгода - точно, они же ищут электрохимика! И тем не менее, они дали мне работу. С тех пор я занимаюсь также аккумуляторами, мне стало очень интересно.

- Аккумуляторы [5] - очень широкий участок с огромным практическим смыслом. Какие исследования вы осуществляете?

- На тот момент самой актуальной темой были аккумуляторы для автомобилей [6]. Именно тогда Tesla [7] делала первые шаги. А для этого нужна была максимальная энергетическая плотность - сколько джоулей на килограмм эта батарея в заряженном виде может хранить. И сопутствующая проблема - как при этом не использовать слишком дорогие материалы. Потому батарея в машине должна стоить меньше, чем несколько десятков евро за килограмм. Создать хорошие вещества с невысокой конечной стоимостью - это очень тяжело.

Сейчас цели те же, но актуальнее вопрос такой: как использовать металлический литий для этих автобатарей? С этого начинали разработку аккумуляторов и 30 лет назад такие батареи часто загорались. Последние десять лет к этой идее возвращаются. Потому что появились неплохие перспективы твердотельных электролитов. Обычно электролит в батарее - это жидкость. Они все равно могут загореться, хотя вероятность пострадать от этого невысока. Этого можно избежать, если перейти от жидких органических веществ к твердым неорганическим. И это позволит вернуться к металлическому литию. Над этой задачей работает очень много людей.

Другая наша тема - стационарное сохранения энергии для зеленой энергетики, например солнечных батарей. Выработанную энергию нужно где-то накапливать. Здесь энергетическая плотность не так важна, как цена. Литиевые аккумуляторы не годятся - очень дорогие. Простая подзарядка таких батарей обходится дороже, чем изготовление электроэнергии. Надо удешевлять в десятки раз.

- Какие конструктивные или физические, химические факторы влияют на эту цену?

- Надо минимизировать использование дорогих химических компонентов: марганца, никеля, кобальта. Они все есть в литиевых батарейках, но их здесь нельзя ставить - очень дорого. Объективно есть не более чем десять достаточно дешевых элементов. Затем надо придумать, как минимизировать производственные процессы, чтобы избежать дорогостоящего синтеза сложных веществ. Одна из технологий, над которой мы работали среди первых в мире, - как использовать простой металлический алюминий. Он дешевый, его много. Зато литий [8] трудно добывать, потому что он часто присутствует в проблемных странах. Алюминий как анод и обычный, природный, необработанный графит в качестве катода. И хлорид алюминия, смешанный с органическими молекулами, как электролит. Звучит дико, но это пример действительно дешевой технологии.

На эту тему: Академия наук Украины: лень, коррупция и фундаментальный провал [9]

- Ваша другая тема - перовскиты. Это же популярные материалы для солнечных батарей?

- Мы работаем с галогенидными перовскитами, которые являются рукотворными материалами, в отличие от природных оксидных перовскитов. Также они хорошие полупроводники. Преимущество в том, что их легко синтезировать в различных формах - как объемные материалы, пленки, наночастицы. Это значительно дешевле, чем делать те же формы из кремния. Галогенидные перовскиты используют и для поглощения света (детекторы или солнечные батареи), и как источники света. И это наша «фишка». Мы были первыми, кто синтезировал наночастицы из этих перовскитов. Такие наночастицы очень яркие, быстрые источники света. Они излучают много фотонов в секунду, до миллиарда - это непревзойденная скорость. Очень яркие, чистые цвета. Мы имеем самый зеленый зеленый цвет. Зеленее только у лазера, и им людям в глаза светить не будешь. Одно из их применений - в дисплеях, телевизорах, компьютерах.

Если брать голубой свет от нитрид-галиевого светодиода, как в телевизорах, но изменить красный и зеленый источники на наши перовскиты, можно получить лучшую цветовую гамму. Ведь цвета, которые мы видим в телевизоре, - это комбинация синего, красного и зеленого.

А если смотреть на наночастицы на уровне индивидуальных фотонов, то их можно использовать как квантовые источники света. Они излучают одиночные фотоны, причем регулярно, без перерыва. Это «пулемет из фотонов». Такое необходимое для квантовых коммуникаций, квантовой криптографии. Там нужно стабильный источник. Особенно если он излучает одинаковые фотоны - с той же энергией, длиной волны, фазой. Большинство веществ на такое не способны.

Сейчас мы пытаемся комбинировать эти частицы по две и по три, чтобы смотреть, могут ли они кооперативно генерировать фотоны. Однако неочевидно, как это использовать. Когда ученые впервые наблюдали лазерное излучение, то также еще толком не знали, что с ним делать. А теперь лазеры повсюду. Так и здесь - если мы когда-то сможем контролировать сколько фотонов и с какой частотой отправляет наше вещество, применение найдется.

- Вы говорили, что институт на собеседование пригласил промышленника. Как в Швейцарии налажена кооперация между бизнесом и наукой?

- Мне нравится в нашем институте то, что здесь очень-очень ценят и совершенно фундаментальные исследования, которые не имеют никакого очевидного применения, и полностью прикладные. Например, один мой коллега до сих пор уточняет, какой именно размер у протона, - и на это дают большие средства. В то же время ценят работу человека, который решает очень практическое задание - например на несколько процентов улучшить энергетическую плотность батарейки. Нет черно-белого взгляда. Многие фундаментальные ученые презирают тех, кто занимается промышленными разработками. И наоборот, я иногда вижу ученых, которые думают: если ты не создал стартап на основе своего диссертационного проекта, то это плохой проект, никому не нужный, хотя потрачены средства. Я ценю и то, и другое. И наш институт это ценит и поддерживает. Потому что чаще в институтах бывает перегиб в одну из сторон.

Швейцария - прекрасный пример того, насколько в действительности институты и компании в одном регионе являются тесными компонентами единой экосистемы. Огромная трагедия тех стран, где промышленность разрушена, потому что она ограничивает возможности для науки, ее необходимость и мотивацию учиться на естественных факультетах. Да, это трагедия и Украины. Химические факультеты производят химиков непонятно для чего. В Швейцарии в местной индустрии большой спрос на выпускников-магистров и докторантов. Они успешные люди, которые являются двигателями развития этой страны.

- Как работает эта экосистема?

- Сотрудничество с бизнесом бывает двух видов. Первый - когда компания приходит к нам и говорит: у нас есть такая проблема, и вы как ученые можете ее решить. Иногда мы смотрим и отвечаем, что помочь не можем, а тут могли бы, однако тема нам не интересна, вы и сами справитесь. Мы не хотим быть дешевой рабочей силой для решения задач, с которыми они способны справиться самостоятельно. Что интересно - так происходит нечасто. Компании также понимают, что ученые работают для чего-то другого. Есть другие, творческие, интересные с научной точки зрения вопросы. Для такого сотрудничества есть легальная база - мы знаем, какие контракты оформлять, как согласовывать финансовые вопросы. Институт имеет отдел, который правильно организует такое сотрудничество и обеспечивает защиту интересов обеих сторон. Бюрократия очень невелика.

Например, компания получает право на осуществление и коммерциализацию результатов проекта. А университет одновременно сохраняет часть собственности на патент. Что важнее - мы никогда не позволяем компаниям заниматься цензурой, то есть указывать, что мы можем публиковать, а что нет. Конечно, новые и интересные результаты мы хотим оформить как научную публикацию. Компания может только попросить отсрочку в три месяца, чтобы написать патент. Большинство на это соглашается. Компании получают четкие правила: на сколько финансировать работу аспиранта или постдока, какими являются сопутствующие расходы. И небольшую долю университета - административный сбор за возможность это все делать. Мы так работаем и с Кореей, и с Китаем, и с многими другими странами.

На эту тему: Олеся Яремчук: «Мені здається, що це принизливо для всіх» [10]

Другая модель - чисто швейцарская. И это отличный пример того, как государство понимает важность инноваций, сотрудничества ученых и компаний. Есть государственный фонд, который дает деньги, если швейцарская компания предлагает проект. Тогда наши расходы оплачиваются из фонда, а компания как добрый жест своего интереса предоставляет небольшую сумму средств на сопутствующие расходы. Мы подаем совместную с компанией заявку, где описываем проблему, которую хотим решить, и идею, которую хотим развить настолько, что она сможет коммерциализировать результаты. И компания должна обосновать преимущества для экономики государства. Сколько рабочих мест, сколько налогов. Большинство проектов не заканчивается ожидаемым успехом. Но в среднем государство от финансирования этих проектов выигрывает. 

---------------------------------

Максим Коваленко родился в 1982 году на Херсонщине. Химик, профессор Высшей политехнической школы Цюриха и руководитель группы функциональных неорганических материалов. Окончил Черновицкий национальный университет, в 2007 году защитил диссертацию на тему «Синтез и характеризация наноматериалов, активных в инфракрасной области» в университете Линца, Австрия. Соавтор более 300 научных статей. По наукометрической базе Scopus имеет более 28 тыс. цитирований и индекс Хирша 73.

—

Олег Фея,  опубликовано в издании Тиждень [2]

На эту тему:

• Высшая школа в Украине: без доверия, репутации и автономии [11]
• "Время дешевой науки прошло безвозвратно» [12]
• Взяточничество как часть «научной этики» в Украине [13]
• Почему нельзя доверять рейтингам университетов [14]
• Гранты ЕС на украинские стартапы — это уже работает [15]