Суспільство 2017-09-01 14:10 Олег Фея

Леонід Пономаренко: «Життя багатше за будь-яку теоретичну модель»

Співробітник Ланкастерського університету, доктор Леонід Пономаренко стояв у витоків науки про двовимірні кристали. Приєднавшись у 2005 році до наукової групи, очолюваної майбутнім нобелівським лауреатом Андре Ґеймом, він присвятив більшість своїх наукових праць щойно відкритому натоді графену — матеріалу, що складається з одного шару атомів вуглецю. Поєднання властивостей графену роблять його перспективним для багатьох галузей технології: композитні сплави, сонячна енергетика, якісно нова електроніка. Тиждень поспілкувався з Леонідом про його наукову роботу, реалії світової науки та, власне, про графен.

Із чого почався ваш інтерес до науки?

— Я зростав у маленькому містечку Буськ на Львівщині з населенням менше ніж 10 тис. людей. Тривали 1980-ті роки, інтернету не було, і вихід до фізики я мав через періодику та шкільні олімпіади, що із задоволенням використовував. Я брав участь в олімпіадах, напевно, з усіх предметів: фізики, математики, хімії, інформатики. Фізика подобалася найбільше. І у восьмому класі я вирішив, що цим і хочу займатися далі в житті. Мій тато виписував багато журналів, — «Наука и жизнь», «Техника — молодежи», «Юный техник», — які я почитував. А от журнал «Квант» я сам попросив виписати. Цей я вивчав із першої сторінки до останньої. Коли він приходив, я два дні практично нічим не займався, закидав уроки — читав журнал. Там були й задачі, зокрема із Всесоюзних і Міжнародних олімпіад. Вони були для мене надзвичайно складними, але якщо виходило хоч одну розв’язати, то я ходив у доброму гуморі кілька днів. 

У який виш ви пішли після школи?

— На фізичний факультет Московського державного університету й по закінченні продовжив навчання в аспірантурі. СРСР розпався, і в економічному сенсі було дуже важко, доводилося виживати. Для людини, яка прикипіла до науки, життя в 1990-ті було тяжким. Аспірантуру в МДУ я не закінчив. Вирішив, що перспектив у Росії небагато, тож подався в аспірантуру до Амстердама, яку закінчив 2005 року. 

Читайте також: Вікторія Бак: Школа й далі виховує солдатів партії

Як ви відчули перехід від СРСР до Росії? Наскільки я знаю, у Москві навіть продукти харчування було важко знайти…

— Пригадую, більше часу я проводив у чергах, ніж у бібліотеках, і за домашніми завданнями. Був період, коли люди мали гроші, та не було продуктів. Потім продукти з’явилися, але зникли гроші. Я через обидва етапи пройшов. Перехід був радикальним у розумінні не тільки стандартів життя, а й стандартів науки. Я працював на кафедрі фізики низьких температур. Там основний робочий матеріал рідкий гелій. Уся кафедра мала на місяць 30 літрів гелію на працівників. Якщо мені щастило, я собі на місяць два-три літри вибивав. В Амстердамі мені, як звичайному аспіранту, давали 100 літрів гелію тільки для себе на тиждень. Такий-от масштаб змін. Не стояло питання, де взяти гроші, як виживати. 

Чи публікувалися ви тоді?

— Моя дипломна робота присвячена високотемпературній надпровідності. В аспірантурі я працював над перспективною тоді темою про магнітні пайерлсовські переходи. Натоді лише в одному неорганічному матеріалі, CuGeO3, спостерігали такий перехід. Гаряча тема. Було важко в тому сенсі, що шанс щось опублікувати науковець із Росії мав, тільки якщо він перший щось віднайшов. Коли починаєш на тому самому рівні, що й колеги за кордоном, то змоги обігнати не було. Не ті можливості, ресурси, навіть достатньо часу на дослідження не мали. Попри це, у мене було дві публікації ще на дипломній роботі, в аспірантурі також було кілька публікацій. Захиститися міг, та не доходили руки й зникло бажання. Ключовим моментом, коли я вирішив кидати Москву, став «чорний вівторок» у 1998 році. Уряд оголосив дефолт, і рубль опустився в чотири рази до долара. Я виживав, даючи приватні уроки абітурієнтам. Після «чорного вівторка» усі мої клієнти розбіглися і я вирішив усе кидати та їхати на Захід. У січні 2000-го поїхав до Голландії. 

Як ви прийшли до вивчення графену? Його ж відкрили якраз перед закінченням вашої аспірантури.

— Ще до закінчення я познайомився з аспірантом іншого голландського університету Костею Новосьоловим, який потім стане нобелівським лауреатом, першовідкривачем графену. Після аспірантури Костя запросив мене на співбесіду в Манчестер. Вони тільки-но відкрили графен. Це сталося 2004-го, а на роботу до них я пішов 2005-го. Йдучи на співбесіду в лабораторію Андре Ґейма, я не знав, що таке графен. Взагалі розмова була досить цікавою, такого досвіду більше ніколи я не мав. Ґейм сказав, що є конкретне наукове завдання, є зразки графену, є атомно-силовий мікроскоп, яким я не вмів користуватися. Він дав мені тиждень, щоб дістати результат. Це була умова прийняття на роботу. Мені таки вдалося після багатьох спроб правильно поставити експеримент й отримати потрібні дані за кілька годин до закінчення семиденного терміну, спаливши під час цього п’ять графенових зразків. У 2005-му п’ять зразків були розкішшю навіть для манчестерської групи, але результат я дістав, як і контракт на рік. 

Читайте також: Експеримент Вілера

Скільки часу ви працювали із Ґеймом та Новосьоловим?

— До 2013 року я працював у їхній групі, а тоді виборов собі стипендію Королівського товариства. Мені виплачується зарплата п’ять років, і я можу йти в будь-який університет. Майже всі британські університети, крім Кембриджа й Оксфорда, із задоволенням підписують постійні контракти зі стипендіатами Королівського товариства. По-перше, це престижно, по-друге, перші п’ять років не потрібно видавати зарплату.
Стипендія дає можливість сконцентруватися саме на науковій роботі. Науковець у будь-якому університеті Великої Британії має педагогічне й адміністративне навантаження. Я все одно читаю два курси, невеличку адміністративну роботу мені теж дали. Такими були умови контракту, згідно з яким я продовжу роботу вже на постійній основі. Але відсоток часу на роботу, що не стосується науки, у мене менший, ніж у колег із департаменту. 

Які основні засади роботи в лабораторії, керівник якої виборов Нобелівську премію?

— Тут орієнтуються не на те, скільки часу ти проводиш у лабораторії, а на результат. Людина, яка приносить результати, цінується. Що, напевне, правильно. Один нюанс, який мене вразив: у всіх лабораторіях, де я працював, вважалося, що ти можеш витрачати робочий час на читання наукової літератури. На що Ґейм сказав: «Ні, читання наукової літератури — ваше особисте задоволення, ви повинні робити експеримент». Якщо науковий співробітник каже, що «не міг робити експеримент, бо читав наукову літературу», це не поважна причина, щоб ухилятися від експериментальної роботи.

Чи змінилося щось у роботі вашої лабораторії після нагородження двох її членів премією?

— З’явилося дуже багато журналістів, особливо в перші дні після виголошення лауреатів премії. Сюди приїздили надто поважні люди. Була друга людина в ієрархії британського уряду, аналог нашого міністра фінансів. Йому показували, як працює лабораторія, і це його ініціативою було виділити £30 млн на будівництво Національного графенового інституту. Ще £30 млн від ЄС надійшло. 

Чотириповерхова будівля з безліччю лабораторій, зок­рема з 1500 м2 «чистих кімнат», що можна порівняти майже з індустріальним виробництвом. Він побудований, аби просунути графен із лабораторії в індустрію. Можливо, ще не в масову, комерційну, але принаймні щоб знай­ти контакт із великими компаніями й показати, що графен можна використовувати в комерційних продуктах.

Зараз я працюю в Ланкастерському університеті, очолюю невеличку наукову групу. У Графеновому інституті маю позицію запрошеного дослідника, можу сюди приходити, ставити експерименти, обговорювати наукові плани.

Як мені відомо, графен передбачив ще в 40-х роках минулого століття канадський науковець Філіп Расселл Воллес?

— Після війни увага науковців була прикута до графіту, бо його використовували як сповільнювач нейтронів. Фактич­­но для розробки ядерної зброї. Філіп Воллес мав порахувати електронні властивості графіту. Це завдання складне, і він розбив його на кілька частин. Першим кроком було порахувати властивості одного шару графіту, а це і є графен. 

Читайте також: Як із фундаментальних досліджень виростає наше сьогодення

Теоретична фізика взагалі заперечує існування двовимірних матеріалів на кшталт графену!

— Справді, є теорема Мерміна-Ваґнера, яка стверджує, що за будь-якої температури, вищої від нуля, дальній порядок у двовимірних та одновимірних системах не може існувати й теплові флуктуації його зруйнують. Тобто якщо двовимірний кристал перебуває не при нулі за Кельвіном, він розвалиться. Теорема правильна, та має межі застосування. 

Дозволю собі сказати, що, якби Ґейм і Новосьолов знали цю теорему, можливо, вони ніколи не спробували б ізолювати один шар графіту! Чому ж графен не розвалюється? По-перше, це не безкінечно великий кристал, має кінцеві розміри. Правильні розрахунки показують, що кристали тих розмірів, із якими ми працюємо, не розвалюються за кімнатної температури, а теорема стосується саме безкінечних кристалів. По-друге, графен хоч і двовимірний матеріал з погляду електронних властивостей, але здебільшого лежить на тривимірній підкладці, що його стабілізує. Теорема правильна, та життя багатше за теоретичну модель! 

Яка історія відкриття самого графену?

— Було завдання зробити металічний польовий транзистор. У металів багато електронів, і ними тяжко керувати за допомогою зовнішнього електричного поля. Рекордсменом був вісмут, у якого струм можна було змінити на піввідсотка. Це абсолютно несерйозно! Ґейм із співробітниками вирішили спробувати тонший шар графіту. І вони не знали, як далеко можуть зайти, щоб зробити його якомога тоншим. 

Тоді в Манчестері в сусідній лабораторії на скануючому атомно-силовому мікроскопі працював науковець Олег Шкляревський із Харкова, він досліджував графіт. Щоб на мікроскопі вивчати поверхню, треба переконатися, що вона чиста. Шкляревський використовував звичайний скотч, аби здерти забруднені верхні кілька шарів графіту. Костя Новосьолов звернув увагу, що шматки, які віддираються від графіту, дуже тонкі. Разом із Ґеймом вони довели товщину до одного атомного шару. Це стало їхнім так званим Friday Night Experiments. Експериментом, із якого, найімовірніше, нічого не вийде, котрий проводиться в п’ятницю ввечері, коли над серйозними речами думати не хочеться. Ґейм же єдиний учений, який отримав і Нобелівську, і «шнобелівську» премії. І це в його стилі — примушувати жабеня левітувати в магнітному полі або ж віддирати шматки графіту скотчем.

Поєднання властивостей графену роблять його дуже цікавим для використання в технології і для наукових досліджень. Що це саме за властивості?

— По-перше, це найтонший матеріал. По-друге, найміцніший. У нього найбільший коефіцієнт пружності на розтягнення, і водночас він може розтягатися на 20% перш ніж порветься. Із розрахунку на товщину це найміцніший матеріал у світі — у 200 разів міцніший за сталь. У нього найвища рухливість електронів за кімнатної температури, у рази вища, ніж у будь-яких напівпровідників. Це потрібно, щоб робити транзистори, які працюють швидко, на високих частотах. Електрони в графені рухаються так, ніби в них взагалі немає маси. Він добре проводить тепло. Прозорий. Легко гнеться. Хімічно інертний. Комбінація цих властивостей робить його таким унікальним.

Чи застосовується він уже в індустрії?

— Відстань від того, щоб сказати, що графен можна використовувати в транзисторах, і продемонструвати один працюючий транзистор, до комерційного масового виробництва дуже велика. Комерційних застосувань наразі не так і багато. Є графенові чорнила, якими друкують елементи інтегральних мікросхем. 

Є спроби використовувати його в композитних матеріалах. Якщо змішати графен із пластиком, той стає міцнішим. Нещодавно в Графеновому інституті на виставці показували елементи маленьких літаків, крила від машин, що роблять із композитних матеріалів із графеном. Їх за бажання можна купити. Але поки що вони за ціною не конкурують з іншими матеріалами. 

Його можна використовувати в елементах рідкокристалічних екранів, сонячних батареях, сенсорних екранах. Усім цим виробам потрібні плівки, що були б прозорими й проводили струм. Зараз це переважно оксид індію-олова. Він прозорий, провідний, але його неможливо гнути. Через це всі наші екрани плоскі й мають поверхню зі скла, який захищає цей матеріал. Є один виробник, який робить смартфони з графеновим екраном, та вони чомусь тільки в Китаї продаються. Виробник стверджує, що телефон можна кидати — він не розіб’ється. Спеціально зроблений, аби над ним знущатися. 

А як щодо графенових транзисторів? Чи замінять вони звичну кремнієву електроніку?

— Офіційно закон Мура вже мертвий. Фактично кремнієва технологія вийшла на насичення, і далі з тією самою швидкістю, як останні 60 років, вона не прогресуватиме. Ми не зможемо зменшувати гаджети й нарощувати їхню швидкодію так само стрімко тільки з кремнієвими технологіями. Потрібно шукати нові матеріали. Зараз єдиним таким відомим, який дасть змогу кардинально зменшити розмір транзисторів, є графен.

Читайте також: «Наукові» смітники

Утім, із графеновими транзисторами кілька проблем. Ми можемо зробити один транзистор, та не можемо зробити мільйон однакових для мікросхеми. Проблема пов’язана частково із тим, що графен для транзисторів має бути дуже високої якості: наявні способи масового виробництва не підходять. Таку якість можна отримати лише розшаруванням графіту, що майже ручна робота. 

Другий нюанс. Аби робити мікросхеми за технологією «згори вниз» (саме так робляться всі мікросхеми сьогодні), ми маємо маніпулювати графеном із точністю в один атом. Адже одноелектронні графенові транзистори, які ми досліджували ще у 2008 році, мають усього 20—30 атомів у діаметрі. Такої технології наразі немає і навряд чи вона з’явиться у наступні 10–15 років. Та ми до неї прийдемо. Бо це єдиний матеріал у світі, із якого можна робити такі маленькі компоненти, що працювали б за кімнатної температури й не розкладалися. Чому не підходять одноелектронні транзистори з металу? Атоми металу тримаються одне одного не дуже добре, через деякий час вони почнуть дрейфувати по поверхні, і за кімнатної температури згодом транзистор сам по собі розвалиться. Цей дрейф непомітний, коли ми говоримо про макроскопічні об’єкти, але коли компонент складається з кількох атомів, він дуже нестабільний за кімнатних умов. 

Щороку ви публікуєтеся в провідних наукових журналах: Nature, Science, Physical Review Letters. Які власні наукові досягнення ви вважаєте найважливішими?

— Я, як і будь-який активний учений, сподіваюся, що мій найбільший результат попереду. Якщо дивитися за цитуваннями, то найважливіші дві мої статті про транзистори. 

На мій погляд, найважливішими є поточні дослідження. Зараз ми вивчаємо гідродинамічні властивості електронів у графені. Теоретично гідродинамічну модель для електронів у напівпровідниках запропонував ще в 1950–1960 роках Радій Гуржи, фізик із Харкова. Тоді це була абсолютно фундаментальна історія, і ніхто не вірив, що це можна реалізувати в реальних системах. І ось 60 років потому в графені справджуються передбачення Гуржи. Якщо електрони протікають через графен не за низьких температур, а за проміжних — від 100 К до кімнатної температури, то їхній рух подібний до руху молекул газу або води. У всіх інших провідних матеріалах електрони розганяються електричним полем і врізаються в дефекти або в коливання ґратки. Так виникає електричний опір. У цій моделі ігнорується той факт, що електрони й між собою можуть співударятися. У металах вони рідко так роблять й ефект майже не впливає на опір. А от у графені вони зіштовхуються між собою частіше, ніж із дефектами.

Як утворюється звук у флейті? Ви вдихаєте потік повітря. Вище за певну порогову швидкість у потоці утворюються нестабільності, які далі перетворюються на коливання повітря, тобто звук. Оскільки електрони в графені поводяться подібно до молекул у повітрі, є ідея створювати вимпромінення через пропускання струму через графен. Випромінення буде в корисному терагерцовому діапазоні, який зазвичай важко зробити. Він корисний для медицини, чи для перевірки багажу в заходах безпеки, чи для астрономії.

Ви займаєтеся фундаментальними дослідженнями. Колись Ґейм бідкався, що частка фінансування таких досліджень зменшується порівняно з прикладними. До яких наслідків це може призвести?

— Цифр я не знаю. Якщо це правда, то все дуже погано. Бо наше життя значною мірою залежить від науки. Майже все, що ми зараз їмо, на чому їздимо, що вдягаємо, чим лікуємося, пов’язане з певними науковими досягненнями останнього століття. Якщо цей процес загальмується або підірветься, а населення і далі збільшуватиметься значною мірою, то станеться так, що людство не зможе себе забезпечувати. 

Чому великий бізнес вкладається в науку в тих державах, де він усвідомлює спільну з владою мету в побудові успішного суспільства, і не спішить робити це в корумпованих країнах?

— Коли бізнес не знає, що станеться завтра, він взагалі не вкладатиметься в дослідження. Та я б не сказав, що бізнес активно фінансує фундаментальну науку. Усе ж це прерогатива держави. Графен у такому розумінні близький до практичного застосування, тому до нього є інтерес у великих компаній. Гроші вони насправді вкладають, бо бояться, що конкурент може зробити це першим і зайняти ринок. Вони хочуть тримати руку на пульсі, тому спрямовують кошти в науку. Більше як спостерігачі, аби не пропустити важливого, аніж просунути науку вперед. 

Із яких джерел фінансується ваша наукова група й узагалі Графеновий інститут?

— Насамперед через гранти. Фундаментальні дослідження майже повністю підтримує держава. Це може бути і Велика Британія, і ЄС, він витрачає багато грошей на науку. Програма «Горизонт-2020» дає майже всі гранти, за якими графенові групи працюють. Brexit був шоком. Адже незрозуміло, наскільки зменшиться фінансування, та як далі існувати. Індустрія також вкладає гроші в науку. За графеном великі програми є у Samsung, вони ще до Нобеля на графен витратили $250 млн. Графеновий інститут має контакти із IBM, Intel, тим самим Samsung. Вони фактично видають зарплату аспірантам і постдокам, а ті мають працювати над темами, що цікаві компаніям. Приблизно 80% фінансування на роботу з графеном спрямовується від держави, а інше від компаній.

Чи вплине Brexit на проведення досліджень?

— Як видно з переговорів політиків, нас очікує «жорсткий вихід», коли всі зв’язки розірвуть. Для університетів це буде дуже погано. Поки що на собі я цього не відчуваю. Але є непевність. Буквально днями Андре Ґейм казав, що в цьому році через Brexit не отримав жодного резюме від європейських студентів. Звичайно, європейці не знають, чого чекати від Brexit, і Британія не така вже й приваблива для них. Це перший сигнал, що вплив на науку буде негативний. Передусім через те, що кількість кваліфікованих аплікантів зменшиться.

Ви плануєте приїхати до Києва на науково-популярну конференцію Brain&Ukraine із доповіддю, готові витрачати час на популяризацію науки. Чи важлива річ — популяризація науки?

— Дуже важлива. У Британії є усвідомлення цього. Коли британські вчені подають проекти, важливим є пункт, як вони збираються висвітлювати результати і, грубо кажучи, пояснювати платникам податків, на що витрачаються їхні гроші. Це називається імпакт. І це не завжди створення нових технологій. Це може бути вплив на політику держави, вплив на освіту, культуру. У науки різні можливості впливати на життя людей. Чому ходять анекдоти про британських вчених? Бо ж на них є тиск: вони повинні щось казати людям. Вони багато спілкуються з журналістами, стараються популяризувати своє коло досліджень. Я думаю, Європа скоро перейме цей досвід. Бо якщо вчені не говоритимуть із журналістами, то екстрасенси почнуть говорити з ними. 

Новини RedTram

Loading...