Первым делом я спрашиваю Юрия Гогоци о новом семействе материалов, открытом в лаборатории, которую он создал и возглавляет. Потенциально они — новая революция в промышленности, и не только.
— Ученые пытаются создать устройства для хранения электричества, которые будут заряжаться быстрее, хранить больше электрической энергии и служить дольше, — поясняет Гогоци. — Нам нужно, чтобы они были дешевле и чтобы они могли стать интегральной частью нашей жизни. Многие говорят сегодня, например, о smart clothes — "умной одежде", которая позволит своему владельцу оценить здоровье, настроение, может быть, прямо на рукаве посмотреть последний прогноз погоды или новости.
Как сделать реальностью то, что сегодня в какой-то степени почти фантастика? Энергия хранится за счет материала, который способен накопить заряд: собрать электроны в маленьком объеме в устройстве, чтобы потом их отдавать по мере необходимости. До сих пор люди пытаются улучшить литий-ионные аккумуляторы или использовать так называемые суперконденсаторы — устройства, которые заряжаются очень быстро, но хранят меньше энергии. И тут решение должен принимать потребитель. Чего вы хотите? Телефон, который после зарядки будет работать целый день, но если разрядится под вечер, потребуется час или два, чтобы его зарядить? Или, может, телефон, который при интенсивном разговоре продержится меньше часа, но его можно будет воткнуть в розетку — и он тут же будет заряжен?
Первый вариант мне нравится больше.
Потому что мы все к нему привыкли. А если у вас в электромобиле во время движения закончился заряд? Вам нужно где-то остановиться и ждать зарядки час-два. Может, есть смысл иметь аккумулятор, который заряжается за пару минут?
Но вы находитесь в том месте, где зарядить его нет никакой возможности.
Это пока проблема. Но проблема решаемая. Сейчас делают опытные участки дорог, где подобные зарядные устройства будут встроены под асфальт, чтобы автомобили могли подзаряжаться непрерывно во время езды. Естественно, создать такое новое покрытие стоит очень дорого. Дешевле заряжать авто на парковках и заправках.
Недавно мы открыли новое семейство материалов, которые обеспечивают короткий срок зарядки и могут служить дольше, но пока не могут хранить больше энергии. Здесь есть определенные проблемы, потому что энергия, которая накоплена в батарейке, почти равна энергии в ручной гранате. С чем большим количеством энергии аккумуляторы мы пытаемся создать, тем большая опасность в них заключается. То есть, нам нужно сделать что-то, чтобы они не могли загореться.
Электролиты — это среда, в которой двигаются ионы в батареях и аккумуляторах. То, что содержат сегодня литий-ионные аккумуляторы — фактически, бензин. Мы пытаемся создать невоспламеняемые электролиты.
Чтобы даже в случае замыкания в аккумуляторах не было горючего.
Вы сказали, что нашли новый материал, и что предпринимаются попытки улучшить литий-ионные аккумуляторы. Мы говорим о разных вещах?
Очень многие работают, улучшая то, что имеется. Принципиальные изменения обычно невозможны путем улучшения чего-то уже имеющегося. Ученые, как я, которые называются материаловедами, оценивают возможность создания новых материалов — таких, которых нет в природе. Несколько лет назад мы показали, что так называемые карбиды и нитриды металлов могут существовать не в объемной форме, а в форме листочков в несколько атомов толщиной, называемых «максены». Это представители большого класса двумерных материалов, среди которых графен наиболее широко изучается в настоящее время. Из этих листочков мы можем собрать все, что угодно, в структуру. Ионы могут двигаться между этими слоями, а электроны от атома к атому внутри слоев. Мы можем напечатать аккумулятор на любой поверхности обычным принтером, или нарисовать ручкой, наполненной чернилами с нашим материалом. К такой картинке можно подсоединить электроды и она будет хранить энергию.
Это открывает новые возможности, прежде всего, когда мы говорим об интернете вещей, "умной одежде", потому что традиционные металлические материалы могут давать электропроводность, но не могут запасать энергию. Мы можем, например, запрограммировать свитер, в котором будут разные проводящие ниточки.
Это очень интересно: вязальная машина стоимостью в миллион долларов, в которой вы программируете дизайн, например, что здесь будет золотая полосочка из созданного нами материала, которая будет хранить энергию. В течение 20 минут эта машина вяжет по вашему дизайну свитер, в который встроены микросхемы, как в компьютерах.
Таким сегодня многие видят будущее. Но переход к нему длителен. В новых технологиях от момента открытия до внедрения нового материала проходит, как правило, от 15 до 25 лет. Поэтому пока мы работаем в том числе над улучшением того, что было создано раньше.
Что будет с вашим материалом и с тем, который вы пытаетесь улучшить, когда он придет в негодность? Как его будут утилизировать?
Когда аккумуляторов было мало, это не казалось проблемой. Сейчас это проблема. Мы хотим, чтобы все, что мы используем, было безопасно и для людей, и для среды.
Можно создавать материалы на основе распространенных элементов. Например, на основе углерода, как графен. Углеродные материалы для хранения энергии — аноды для батареек и электроды суперконденсаторов — мы делаем из переработанных покрышек, а электролиты — на основе полимера. То есть, все можно извлекать просто из ценного мусора. В двумерном карбиде титана (максене), например, который мы открыли, есть титан, углерод и кислород. Если они сгорают, образуется оксид титана — в принципе, безопасный материал: оксид титана используется, например, в разных кремах или в сахарной пудре, чтобы она не слипалась. Украина, кстати, восьмая в мире страна по запасам титана.
Для этой переработки должна быть определенная инфраструктура?
Не обязательно. Если мы используем токсичные материалы, нужно собирать их и пытаться перерабатывать. Если у нас есть только безопасные материалы, как углерод, которые просто сгорают или разлагаются, перерабатывающая инфраструктура не нужна. И это существенно дешевле, чем переработка того, что мы произвели.
Кто входит в вашу группу?
Я руковожу Институтом наноматериалов. В моей лаборатории примерно 40 человек. Это аспиранты и ученые, защитившие докторские работы. У меня в группе сейчас работают люди из 12 стран. Мы занимаемся не только применением наноматериалов в аккумуляторах. Мы занимаемся очисткой воды с помощью углеродных материалов и максенов. Мы можем организовать эти двумерные слои в мембраны, чтобы молекулы воды могли через них проходить, а ионы соли, загрязнения и примеси оставались. То есть, это фактически фильтры, но на молекулярном уровне.
Мы можем использовать максены даже для лечения рака. Они поглощают инфракрасное излучение, а один из способов удаления опухоли — не хирургический, а нагревание опухоли инфракрасным светом.
Спектр применения этих материалов довольно широкий, но мы работаем в тех направлениях, которые наиболее важны: медицина, питьевая вода, энергия.
Для таких исследований есть какой-то тайминг? Вы представляете, когда приблизительно они могут завершиться?
Иногда да, иногда нет. Например, на некоторые материалы университет уже продал лицензию крупной компании. И мы надеемся, что некоторые из этих материалов появятся в мобильных телефонах и других электронных устройствах примерно в 2020 году. Лечение рака уже было успешно испробовано на мышах, но до клинических испытаний пройдет еще несколько лет. После этого последует длительная процедура утверждения.
Любой новый материал по определению дорогой. Классическая история: Наполеон, принимая самых почетных гостей, вместо золотой и серебряной посуды давал им алюминиевую. Алюминий в то время был только получен, его делали не так, как сейчас, и этот материал стоил дороже золота и серебра.
Чтобы наши материалы стали дешевыми, должны появиться большие заводы. Большие заводы появятся тогда, когда будет большая потребность. Пока нет большой потребности, потому что материалы дорогие. Разворот производственной машины — длительный процесс.
Многое зависит не только от успехов наших технических разработок, а от того, куда движется экономика. Одно понятно: технический прогресс ускоряется. Новые вещи внедряются намного быстрее, а старые быстрее уходят. Но вы все-таки не сможете вытеснить старые материалы за неделю. На это уйдут годы.
На какой стадии разработок ими начинает интересоваться бизнес?
На самых разных. Часто на очень ранних. Есть крупные компании, которые знают, что им надо перейти на новые технологии. И они начинают искать, что есть на ранней стадии исследования, какие идеи можно подхватить. Они понимают, что не каждая из них реализуется, но есть шанс, что какая-то действительно революционизирует их промышленность. Наши работы на разных этапах финансировали BASF, Arkema, Toyota, Honda и другие крупные компании.
Иногда, когда университет подает заявку на патент, наш патентный отдел пытается найти потенциальных клиентов. Они видят, что, скажем, компания Samsung подает много патентов на ту же тему, и могут прислать им информацию: у нас есть новый патент, который позволяет решить проблему, над которой вы работаете. Иногда компании откликаются. Компании посылают людей на научные конференции. Часто ко мне подходят после конференции и говорят: я работаю в такой-то компании, нас интересует решение этой проблемы, не хотели бы вы поработать с нами?
Конечно, если мы изобретаем новый материал, мы хотим, чтобы он использовался. Скажем, каждый кабель имеет металлическую оплетку, которая отражает электромагнитные волны, создающие помехи. Каждое электронное устройство нуждается в электромагнитной защите. Чем она тоньше, чем меньше места занимает, тем лучше. Из одного из созданных нами материалов мы можем напечатать микронную пленку в десять раз тоньше, чем металлическая фольга, используемая в настоящее время, которая будет полностью отражать электромагнитные волны. Такого типа технологические решения интересны компаниям, потому что их довольно легко внедрить. Но на замену старого продукта новым, с новым дизайном, все равно уходят годы.
Как правило, новые разработки финансируются все же из фондов университетов?
Нет. Университеты вкладывают в научные разработки вообще очень мало. В основном — в инфраструктуру, и то немного, и дают маленькие гранты начинающим профессорам, чтобы человек мог купить себе необходимые приборы и взять на работу пару аспирантов. Дальше каждый должен искать средства самостоятельно. Одна из моих главных задач как профессора — писать заявки на финансирование, например, в государственные научные фонды (их несколько в США). Но я точно так же обращаюсь в компании.
Много денег есть в международных программах. Например, такие страны как Катар, Эмираты, Саудовская Аравия финансируют много исследований за границей, потому что не могут проводить их сами. Сегодня у меня есть гранты от Катара, Саудовской Аравии и Израиля: три страны, которые в настоящее время не имеют между собой дипломатических отношений, финансируют исследования в нашей лаборатории. Мы также работаем с Южной Кореей и Китаем. У нас есть целая исследовательская группа в Китае, в Джилинском университете.
Ученые со всего мира знают, что мы делаем высококлассную науку и приезжают со своими грантами работать у нас в лаборатории. Университету это практически ничего не стоит: из наших грантов он получает процент на покрытие накладных расходов.
Это важно понимать людям, которые пытаются перестраивать науку и университетское образование в Украине. Университет создает условия для проведения исследований, но научные исследования финансируются из множества источников.
Здесь есть такая иллюзия, что, переезжая в развитую страну, вы можете заниматься исключительно наукой, не думая о том, как на это занятие заработать. На самом деле, вы не можете себе позволить заниматься исключительно наукой?
Только если я получу деньги под проект. Наряду с прикладным финансированием, которое я стараюсь получать, есть средства на фундаментальные исследования. Я получаю от министерства энергетики — у них есть отдел фундаментальных исследований — и Национального научного фонда США гранты исключительно на то, чтобы понять, могут ли наши материалы быть магнитными или полупроводниковыми. В заявке на грант мне даже запрещено писать варианты их применения: если мы говорим о применении, это уже не фундаментальное исследование. Есть отраслевые программы, которые направлены на решение конкретных насущных проблем. Скажем, министерство здравоохранения дает деньги, чтобы найти новые способы лечения рака. Коммерческие компании чисто фундаментальную науку обычно не финансируют, у них свои задачи.
Я все время пытаюсь найти баланс между фундаментальными и прикладными исследованиями, потому что если мы не будем проводить фундаментальных исследований, мы не сможем совершить прорывов в науке. Мы строим все применения на фундаментальном понимании. Например, мы знаем, что наш материал очень электропроводный — значит, из него можно сделать электромагнитную защиту. Когда мы узнаем что-то о свойствах, мы пытаемся искать, где и кому они могут быть полезны. Мы идем к представителям промышленности или в отраслевые агентства и говорим, что можем разработать лучший аккумулятор, потому что у нас есть новые материалы. Хорошо, когда исследования хорошо сбалансированы.
Если какая-то компания финансирует разработку, она получает исключительное право использовать ее результаты в производстве?
Компания Sony, которая купила разработки на литий-ионные аккумуляторы, почти до 2000 года была монополистом, и Япония производила 99% литий-ионных аккумуляторов. Это и стимулирует компании: если они вложат деньги в исследования, они будут иметь эксклюзивное право на использование их результатов.
Но я не вступаю в отношения с компаниями, которые не оставляют нам права публиковать результаты разработок. Мы пытаемся найти компромисс: у вас будет патент, но у меня есть аспиранты, которые работают над этими материалами, они хотят защитить диссертации. Мы хотим, чтобы весь мир знал о том, какой замечательный материал мы создали. Поэтому мы пишем и публикуем статьи. Каждый человек в Украине, Китае, Норвегии — где угодно — может, прочитав статью, использовать эти знания. Компания может запатентовать новые материалы для производства в Японии, Германии, Америке, но не запатентовать в Китае, значит, в Китае каждый может начать производить их самостоятельно. Охватить патентами весь мир очень трудно и дорого, даже для большой компании.
Так или иначе, пользуются разработками все равно все: Samsung продает свои телефоны и в Америке, и в Украине.
Если вы получаете грант от какой-то страны, какие обязательства это на вас накладывает?
Обычно это совместные исследования с учеными из этой страны.
Нет ли риска, что какие-то важные разработки попадут к недемократическому режиму?
Он всегда существует. Мы не работаем с Северной Кореей, мы не можем работать с Ираном из-за эмбарго. Каждый из нас для себя решает: хочу ли я участвовать в военных разработках, или нет? Но нужно понимать, что любые новые технологии могут использоваться в военных целях. Тот же аккумулятор может и заряжать ваш телефон, и инициировать бомбу, которую куда-нибудь подкладывает террорист. Кто-то использует беспилотники для поражения военных целей, а кто-то — для спасения туристов, потерявшихся в горах.
Мы не работаем с теми, кто стреляет, мы работаем с такими же учеными. Я работаю с ними, потому что знаю, что они хорошие ученые и пытаются делать правильные вещи. Как их правительства используют наши знания? Как они используют статьи, которые мы опубликовали? Я знаю, что кто-то может использовать это во вред, но это неизбежно при свободном распространении знаний.
Вы считаете себя украинским ученым или американским ученым?
Нет американской науки или украинской науки. В области, в которой я работаю, я либо первый и нахожусь на мировом уровне, либо плетусь позади. Поэтому я очень критично отношусь к тому, что мои коллеги в Украине публикуются на украинском языке в научных журналах. Мы публикуем статьи для того, чтобы люди получали новые знания. В моей области есть несколько человек, которые живут в Украине и которым будет интересна моя статья на украинском языке. И есть, наверное, тысячи в мире, которые не смогут прочитать статью, если она на украинском или на русском. То есть, будь то украинская наука, испанская наука, американская наука, важно, чтобы она была доступна всем.
Естественно, я хочу поддерживать украинских ученых и украинское научное сообщество. Но ни я, ни кто другой не будет спонсировать украинскую науку, которая находится на совершенно низком уровне, только чтобы кого-то чем-то занять. Цель — поднять уровень исследований в Украине до мирового. Нужно, чтобы людей, которые в состоянии и хотят работать на мировом уровне, в мире воспринимали не как "украинских ученых", "наших младших братьев", а как равных игроков. В Украине есть ученые мирового уровня и есть много хороших молодых специалистов, которым зачастую не дают возможности добиться успеха, потому что не оказывают достаточной поддержки или не открывают необходимые пути.
Мне кажется, наука в Украине — это такой клубок проблем, что даже непонятно, за какую нитку потянуть, чтобы его распутать.
Многие вещи можно делать в украинских научных учреждениях. Для этого далеко не всегда требуются супердорогие приборы — для этого требуются люди со знаниями и интересом к науке. По своему научному потенциалу Украина была ведущей республикой Советского Союза. К сожалению, многое утрачено, но потенциал все еще больше, чем у ряда других стран. Его нужно направить и создать возможности для развития. Но должна быть промышленность, которая в этом заинтересована. Поскольку высокотехнологичной украинской промышленности очень мало, можно работать на промышленность в других странах, решать проблемы для Siemens, или BASF, или Toyota. Все крупные компании, которые финансируют нас, — не американские. Правительство должно помочь привлекать международные компании, например, строить исследовательские центры, как в Индии или в Китае. Почему не в Украине? Если иностранные компании начнут затем строить заводы здесь, появится рынок, где будут необходимы инженеры, ученые — украинские, появится передовая украинская промышленность.
Сегодня украинские ученые зачастую даже ограничены в коммуникации с коллегами из других стран, потому что, например, не всегда могут поехать на конференцию: такие поездки не обязательно финансируются. Многие поэтому уезжают, как только им представляется такая возможность. Стоит ли драматизировать эту ситуацию?
Драматизировать не стоит. Более того, их нужно поощрять. При правильном к ним отношении те, которые уезжают, не сжигают мосты. Они, наоборот, строят мосты. У меня есть китайские, корейские аспиранты и доктора наук, которые начали сотрудничество между моей лабораторией и их лабораториями. То есть, человек, который послал ко мне аспиранта, получил доступ к нашей лаборатории.
Если бы украинские профессора университетов поняли, что, если у них есть хорошая аспирантка, нужно не всеми силами ее охранять, чтобы не сбежала за рубеж, а сказать: "Маша, ты молодец, за два года многому научилась, тебе здорово было бы поработать в лаборатории профессора Гогоци в Америке, набраться опыта и, может быть, мы сможем с твоей помощью начать с ним сотрудничество".
Я ни разу не встречал ничего подобного в Украине.
Посмотрите на Китай. Китай создал условия, и его ученые возвращаются со знаниями и опытом. Если бы не было этого огромного количества китайских студентов и аспирантов, поехавших учиться за границу, Китай никогда не поднял бы свои технологии на нынешний уровень. То есть, украинские ученые за рубежом — это тот потенциал, который в нужный момент Украина могла бы использовать.
Вы можете вообразить себе ситуацию, в которой вы вернулись бы в Украину?
Да. Я уехал, потому что после распада Советского Союза в Украине надолго пропал интерес к науке: стоял вопрос выживания. Меня же интересовала именно наука. Я ее люблю, это моя жизнь, мое хобби, а не только работа, за которую я получаю зарплату. Я искал место, где я хочу и могу работать в свое удовольствие и реализовывать себя. Поработав в Германии, в Японии, в Норвегии, я понял, лучше, чем в другом месте, могу реализовать себя в Америке. Если я почувствую, что могу делать мирового уровня науку в Украине, потенциально я не вижу причин, почему бы я не вернулся. Я часто езжу в Китай и вижу массу китайских ученых, которые возвращаются, проработав много лет за границей. Я знаю людей, которые оставляли работу в MIT и переезжали работать в Сингапур. Я не вижу в Украине каких-то принципиальных барьеров, здесь не хватает пока только условий, чтобы заниматься наукой мирового класса.