14580
21 декабря 2020
​Анастасия Горбунова, иллюстрация Айдара Ергали

Аяулым Белгибаева, химик: «Все вузы должны быть оборудованы как Назарбаев университет»

Как ученые работают над тем, чтобы сделать аккумуляторы дешевле и безопаснее

Аяулым Белгибаева, химик: «Все вузы должны быть оборудованы как Назарбаев университет»

ҒЫЛЫМ FACES — проект, цель которого представить казахстанских ученых — разного пола и возраста, живущих в Казахстане и за рубежом, представителей самых разных направлений науки, объединенных любовью к научным исследованиям.

Сейчас сложно представить свою жизнь без разных электронных устройств. Для их работы необходимы источники энергии — аккумуляторы. Одни из самых распространённых — литий-ионные батареи. Такие батареи несовершенны: их энергоёмкость не всегда достаточно высока, их дорого производить, а если ошибиться в технологическом процессе, то они могут взрываться. Как сделать аккумуляторы эффективнее и безопаснее, удешевить их производство и облегчить нагрузку на окружающую среду, используя дешёвые материалы и отходы нефтепроизводства, — ответы на эти вопросы ищет героиня проекта, химик Аяулым Белгибаева. Сейчас она учится в Токийском технологическом институте и является одним из авторов проекта ҒЫЛЫМ FACES.

Анастасия Горбунова: Расскажи о своём детстве.

Аяулым Белгибаева: Я из Усть-Каменогорска, мои родители из Катон-Карагайского района Восточно-Казахстанской области. Почти всё моё детство прошло именно там, у бабушки и дедушки. Бабушка — учительница биологии и географии в школе, и она любила рассказывать про строение листьев, цветов, травы. Наверное, так у меня появилось увлечение естественными науками. Но поскольку моя бабушка была учителем биологии, я не хотела выбирать эту сферу — и так все каникулы проходили с биологией. В итоге я выбрала химию.

Анастасия: А тебя что-то мотивировало выбрать химию? Или просто, лишь бы не биология?

Аяулым: Так получилось из-за ЕНТ. Нам нужно было выбирать предмет на ЕНТ, химия начиналась самой поздней, в 8 классе. Я тогда думала, что химию придётся меньше всего учить, будет легче сдавать. Но вообще, химия меня сразу увлекла. Я участвовала в олимпиадах, в 11 классе на республиканской заняла второе место. По большей части, это заслуга моей учительницы. Во время занятий она приводила аналогии, например: «У меня две руки. Валентность кислорода — 2. Как я могу взять двух человек за руки, так же и кислород может взять только два атома водорода». Это показалось мне очень интересным.

Анастасия: Расскажи про своё образование.

Аяулым: Я поступила в Евразийский национальный университет на кафедру химии, хотя у меня была возможность поступить в КазНУ. Дело в том, что пока мы готовились к олимпиадам, мы неоднократно посещали лаборатории в КазНУ. К моменту выбора ВУЗа я уже знала большинство преподавателей, и мне казалось, что выбери я КазНУ, то в процессе обучения я бы обленилась.

Анастасия: А как ты попала в Назарбаев университет?

Аяулым: Когда я училась на четвертом курсе, нам нужно было выбирать лабораторию для дипломной работы, но в ЕНУ выбор был небольшой. Не было возможности заниматься научными исследованиями, делать что-то своими руками. Поэтому моя руководительница в ЕНУ познакомила меня с профессором Жумабаем Бакеновым с кафедры химической инженерии Назарбаев университета. Он тогда только открывал свои лаборатории по разработке литий-ионных аккумуляторов. Так я стала частью его группы. Исследования для дипломной работы делала в его лаборатории, после окончания бакалавриата начала там работать уже в качестве младшего научного сотрудника. Проработав год, я подала на магистратуру в Японию. Здесь, в Токийском технологическом институте (Tokyo Institute of Technology), у меня интегрированная программа: магистратура + PhD, сразу на 5 лет.

Анастасия: Ты сказала, что в Назарбаев университете была целая группа, которая изучала литий-ионные аккумуляторы. Кто ещё в Казахстане занимается этим направлением?

Аяулым: В нашей группе было много людей — учёных, которые закончили PhD у нас или за рубежом и вернулись в Казахстан. Например, моими со-руководителями были Алмагул Ментбаева, она уже assistant-professor в Назарбаев университете, Айшуак Кунаров — он сейчас делает постдок в Назарбаев университете, но учился в Корее. Таких постдокторантов очень много, сейчас группа вообще выросла. Кроме Назарбаев университета, есть учёные и в других университетах. В КазНУ, кажется, делают синтез материалов, которые можно применять для литий-ионных аккумуляторов, но у них вроде нет оборудования для тестирования аккумуляторов. А в Назарбаев университете можно протестировать синтезированные материалы.

Анастасия: У нас не все университеты имеют достаточно оборудования для работы специалистов в твоей сфере?

Аяулым: Для комплексного исследования нужно очень много средств, чтобы закупить оборудование. В Назарбаев университете такая возможность была. Но у других университетов она не всегда есть. К тому же в наших университетах не всегда есть место, а современные лаборатории могут занимать целые здания.

Анастасия: В Назарбаев университете ты работала над водными аккумуляторами. Расскажи, что вы изучали и в чём их особенности?

Аяулым: В обычных литий-ионных аккумуляторах используются органические растворы электролитов, они очень токсичны и взрывоопасны. А в водных аккумуляторах в качестве растворителя — обычная вода. В качестве катода использовалось соединение лития. Но так как металлический литий на аноде легко реагирует с водой, то тут она заменена на цинк. Поэтому это такой литий-ионный водный гибридный аккумулятор.

С этими аккумуляторами есть проблема. Когда в качестве анода используется чистый металл, то после длительного циклирования энергоёмкость резко падает или происходит короткое замыкание. Дело в том, что во время электрохимических реакций металл на поверхности анода осаждается неравномерно, а с образованием иглообразных отростков — их называют дендритами. Эти дендриты могут проникнуть через сепаратор в катодную часть. В таких случаях катод и анод касаются друг друга, происходит короткое замыкание. Мы хотели предотвратить рост этих дендритов. Для этого изменили структуру анода из обычной металлической пластины на пористую 3D-структуру. Мы осадили цинк на поверхности 3D-структурированного углерода. Также мы пытались покрыть этот цинк разными полимерами, чтобы наверняка — но свойства аккумулятора без полимерных покрытий оказались лучше.

Анастасия: А других проблем с водными аккумуляторами не было?

Аяулым: Другая проблема аккумуляторов, и не только водных, в том, что при низких температурах воздуха раствор электролита замерзает. Тогда аккумуляторы не работают.

Мы хотели разработать аккумулятор, стойкий к нашим морозам. Протестировали разные антифризные добавки для водных аккумуляторов, но так и не нашли подходящую.

Такое тоже бывает, это же наука. Но исследования до сих пор ведутся, так что надежда на успех ещё есть.

Анастасия: Как ты нашла программу в Японии и почему выбрала именно её?

Аяулым: Про эту программу мне рассказал профессор Бакенов, он сам учился в Японии. У него есть контакты там, и он предложил мне подать на программу именно к профессору Изуми Танигучи в Токийский технологический. Он согласился меня принять, скорее всего, благодаря рекомендации профессора Бакенова. До подачи в Японию я рассматривала разные варианты: Европа или Саудовская Аравия, новый университет KAUST (King Abdullah University of Science and Technology), но мне не хватало 0,5 баллов по IELTS. До 9 класса я училась в обычной школе в Усть-Каменогорске, там уровень английского был не очень хороший, и на курсы я не ходила. После 9 класса я поступила в Республиканскую физмат школу в Алматы, там у них была совершенно другая программа, и они уже занимались по книжкам Upper-Intermediate. У меня, кажется, тогда даже Elementary не было. Было довольно сложно. Когда я поступила в университет, английский был слабый, только после второго курса я начала ходить на курсы и так подтянула. Но всё равно для подачи в Европу и другие университеты у меня баллов не хватило. На программе в Японии главным было согласие профессора. Знание японского тоже не требовалось, учусь на английском.

Анастасия: Расскажи, над чем ты работаешь сейчас?

Аяулым: Сейчас я разрабатываю нановолокна для применения в литий-ионных и литиевых аккумуляторах. Это электродные материалы: катод, анод, или interlayers — прослойки между катодом и сепаратором. Я синтезирую нановолокна с разными функциональными возможностями методом электроспиннинга. Для этого мы смешиваем нужные материалы с раствором полимера. Я для своих синтезов использую водорастворимый полимер, это позволяет синтезировать широкий спектр материалов, потому что многие соединения лучше растворяются в воде, чем в органических растворителях.

Анастасия: Как это можно применять?

Аяулым: Вообще, эти нановолокна можно применять не только в литий-ионных аккумуляторах, но и в суперконденсаторах (устройство для накопления электрического заряда, эффективнее конденсаторов за счёт «обкладки» двойным слоем электронов — Авт.). Для очищения воды, например, от органических соединений, красителей. Такие нановолокна можно применять в разных сферах.

Анастасия: По какому принципу они работают?

Аяулым: Нановолокна можно использовать в качестве мембраны при фильтрации загрязненной воды. Для того, чтобы увеличить эффективность фильтрации, можно синтезировать композитные материалы — благодаря химическому взаимодействию они сдерживают определённое загрязняющее соединение.

Анастасия: А как ты используешь эти нановолокна?

Аяулым: В моих исследованиях я применяю их для литий-ионных аккумуляторов: нановолокна позволяют уменьшить себестоимость и увеличить энергоёмкость синтезированных материалов. Для экспериментов мы берём пуговичные батарейки, которые используются в калькуляторах и весах. Так что прежде чем начать широкомасштабное производство, нужно собрать больше данных. Уже не на пуговичных батарейках, а на батареях большей ёмкости. В пуговичных батареях влияние любых внешних факторов на свойства материалов минимизированы. А при сборке больших аккумуляторов могут возникнуть дополнительные трудности, требующие дальнейших исследований.

Анастасия: Почему это важно сделать прежде, чем начать применять технологию на практике?

Аяулым: Потому что нужно обеспечить их устойчивость и безопасность при эксплуатировании. Например, проверить на взрывоопасность. Для этого проводится множество тестов на специальном оборудовании, которого в обычных лабораториях не найти, потому что оно очень дорогостоящее.

Анастасия: Расскажи о своём исследовании, которым ты больше всего гордишься?

Аяулым: Больше всего горжусь последней статьёй, которую недавно опубликовали в Journal of Power Sources. Мы применили нановолокна, которые я синтезировала, для литий-серных аккумуляторов. Это помогло повысить их энергоёмкость. В литий-серных аккумуляторах в качестве катода используется сера — это очень дешёвый материал, так как даже после переработки нефтепродуктов выделяется много серы в качестве отходов. Например, у Тенгиз-Шевройл много больших куч серы, которая не утилизируется. Обычные катодные материалы, которые сейчас используются в литий-ионных аккумуляторах, обладают очень маленькой энергоёмкостью: теоретически, это 170-200 миллиампер*час/г. А у серы этот показатель в 10 раз больше — 1675 миллиампер*час/г. Но чистая сера не проводит электрический ток, и поэтому мы не можем использовать её саму по себе в качестве катодного материала.

Кроме того, во время электрохимических реакций сера должна превращаться в сульфид лития. Но до того, как это произойдет, выделяются промежуточные продукты — полисульфиды лития. Сера и сульфид лития твёрдые, а полисульфиды лития растворяются в растворе электролита. Это и есть проблема, решение которой многие ищут: когда полисульфиды лития растворяются, то начинают перемещаться через сепаратор. Так они уходят в сторону анода и не возвращаются обратно к катоду. Из-за этого теряется энергоёмкость.

Анастасия: Как вы решили эту задачу?

Аяулым: Мы взяли синтезированные нами нановолокна из оксида кремния — оксид кремния входит в состав песка и тоже очень распространённый и дешёвый материал — и углерода. Поместили эти нановолокна между катодом и сепаратором. Нановолокна предотвращают растворение полисульфидов, что удерживает их в катодной стороне. Поскольку полисульфиды не проходят в анодную сторону, то мы можем сохранить энергоёмкость на протяжении долгих циклов. Мы увидели, что энергоёмкость аккумуляторов выросла в несколько раз, и смогли проциклировать наши аккумуляторы более 100 циклов.

Анастасия: Чем полезны эти результаты?

Аяулым: Потенциально это позволит удешевить производство батареек, а также использовать в производстве аккумуляторов отходы серы — вроде тех, что сейчас просто лежат кучами и загрязняют окружающую среду. Но даже если именно наши разработки не будут коммерциализированы, полученные результаты могут приблизить учёных всего мира к этой цели.

Анастасия: В Казахстане смогут производить такие серные аккумуляторы?

Аяулым: До производства ещё в принципе далеко. Требуется много исследований и тестов, а для самих аккумуляторов — множество различных компонентов, которые в нашей стране не производятся.

Анастасия: Какие планы после завершения PhD?

Аяулым: Хочу поступить на постдокторантуру. Вообще, я бы хотела вернуться и работать в Казахстане, но на данный момент мало университетов могут предоставить мне место постдокторанта. Возможно, только лишь Назарбаев университет и КазНУ. Конкуренция там очень большая, найти место за рубежом проще.

Анастасия: Поступить на обучение за границей легче, чем в Казахстане?

Аяулым: Да, именно из-за конкуренции на место. Я поступила за границу, так как считала, что защититься здесь проще, чем у нас. Так как публиковаться в международных журналах тоже легче.

Анастасия: В Казахстане есть проблема публикаций в «хищнических» журналах (хищнические, или мусорные журналы представляют собой недобросовестную модель научной издательской деятельности, где авторские статьи не проходят тщательную проверку, рецензирование и редактуру, но публикуются за определённую плату — Авт.). Это строго контролируется в Токийском технологическом университете?

Аяулым: У нас такого нет. Точнее, это не то, что контролируется — такой вопрос даже не поднимается. Отказ от сотрудничества с такими журналами всем кажется самим собой разумеющимся. Никому в голову не придёт работать с ними. Это был бы огромный ущерб репутации.

Анастасия: Расскажи про своего профессора и атмосферу в лаборатории. Влияет ли японский менталитет на работу?

Аяулым: Профессор Танигучи предпочитает работать с представителями азиатских стран, так как наши менталитеты схожи. Под его руководством было уже 10 студентов из Казахстана. Думаю, что из-за моего темперамента мне достаточно просто учиться в японской среде. Я спокойна и не спорю с решениями профессора, а для него это одно из важных условий. Например, если предложить ему что-то сделать иначе, он ответит: «Будешь делать, как ты хочешь, когда закончишь PhD и откроешь свою лабораторию. А сейчас будешь делать так, как я говорю». Я понимаю его, поэтому отношусь к этому спокойно. Возможно, когда я займу место профессора и у меня будет множество идей, которые в одиночку выполнить нельзя, то буду требовать от своих студентов того же. Время покажет.

Анастасия: Ты говоришь, что есть идеи, которые нельзя реализовать одному. В науке так важна коллаборация?

Аяулым: На данный момент, у нас в лаборатории коллабораций нет, у каждого свой проект. Профессор также достаточно отстранён и работает лишь с малым кругом ученых, которым очень доверяет, среди них есть и профессор Бакенов. Но я считаю, что коллаборация является важной частью исследований. Не столько из-за оборудования, сколько из-за обмена разными мнениями, взглядами и идеями. Помимо этого исследования, в которых принимали участие многие учёные, имеющие в науке больший вес.

Анастасия: Кого ты считаешь своим наставником в жизни и в науке?

Аяулым: Профессора Жумабая Бакенова, потому как он — хороший пример для подражания. Он проучился за границей, работал там, помог открыть несколько лабораторий и имел возможность остаться за рубежом, но решил вернуться в Казахстан. Открыл у нас лабораторию и обучил многих специалистов, которые сейчас работают не только в Казахстане, но и по всему миру. Мне кажется, его вклад в развитие науки в нашей стране очень большой, и я бы тоже хотела в будущем принести пользу нашему государству.

Анастасия: Женщине сложно работать в науке?

Аяулым: Мне кажется, чуть-чуть сложнее, чем мужчинам. Кроме науки мы же ещё рожаем, и вот тут большая проблема, как всё это совместить, когда успеть. Но у нас есть много девушек, которые как-то это совмещают.

Анастасия: Ты встречалась с каким-то некорректным отношением или пренебрежением из-за того, что ты девушка?

Аяулым: Нет, я с таким не сталкивалась. Хотя я слышала, что аккумуляторы считают «не женской» темой. Но я знаю много талантливых девушек в этой сфере. Даже в группе профессора Бакенова большинство — девушки.

Анастасия: Ты чувствуешь себя в науке на своём месте?

Аяулым: Я люблю науку, мне нравится заниматься исследованиями, анализировать. Наука — очень непростая вещь, не всё получается сразу, бывает много трудностей. Когда так происходит, то думаешь: «Зачем мне это всё?». Но всё равно кажется, что я не вижу себя нигде, кроме науки.

Анастасия: Ты занимаешься популяризацией науки и делишься своим опытом обучения на PhD, делаешь с нами Gylym Faces. Как ты к этому пришла?

Аяулым: Я считаю, что популяризация очень важна. К этому я пришла вместе с проектом KZPHDGIRLSUNION. Основательница, Амина Мирсакиева, сейчас работает в Германии. Цель проекта — объединение девушек, обучающихся на PhD за границей, обмен знаниями и опытом. Я вижу этот проект как виртуальную среду для интересующихся наукой или как путеводитель для будущих ученых. KZPHDGIRLSUNION появился в ноябре 2018 года, я присоединилась почти сразу. Каждый четверг мы пишем серию постов. Темы околонаучные, о PhD и некоторых социальных проблемах. Вообще, я очень люблю писать, и до присоединения к проекту писала о Японии и жизни там. Но после того, как я познакомилась с этими девушками, с Асель Мусабековой (биолог и вирусолог, PhD Университета Страсбурга, популяризатор и со-основатель проекта Gylym Faces — Авт.), я поняла важность популяризации науки. Раз уж я люблю писать, то почему бы не писать о науке? У нас между учёными и народом большой разрыв, простые люди в основном не понимают, чем занимаются учёные. Если раньше в научной журналистике кричащие заголовки интересовали, заставляли переходить и читать, то сейчас, как мне кажется, они только, в основном, раздражают. Люди сейчас скептически относятся ко всему, и к науке в том числе. Важен хороший диалог, поэтому мне очень нравится проект Gylym Faces: мы пытаемся писать о науке как есть. Мы не показываем то, чего нет на самом деле.

Анастасия: Что можно сделать, чтобы больше людей приходило в химическую инженерию в Казахстане?

Аяулым: Химическая инженерия достаточно популярна в Казахстане, так как эта отрасль имеет большой потенциал. Недостатка в студентах нет, другой вопрос — условия, с которыми на данный момент есть проблемы. Нам нужно больше лабораторий, оборудованных по мировым стандартам. Как говорит профессор Бакенов, нам нужно, чтобы все вузы были оборудованы как Назарбаев университет. Он у нас один, а мест на всех желающих там не хватает. Во многих университетах часто просто нет возможности работать над своими идеями.

Анастасия: Что нужно лично тебе, чтобы ты вернулась в Казахстан и с удовольствием работала в своей области?

Аяулым: Развитие университетов. Сейчас передо мной стоит дилемма: что я буду делать по возвращении в Казахстан, куда я пойду работать? Мне бы хотелось, чтобы развивались и другие университеты, помимо Назарбаев университета. Но под силу ли мне одной эта задача? Чтобы развивать науку в других вузах, нужна большая поддержка. Я не знаю, где и как её можно найти.

Анастасия: Традиционный вопрос проекта. Наука в Казахстане: пациент скорее жив или мёртв?

Аяулым: Думаю, что жив. Сейчас много молодых людей увлекается наукой, многие студенты вернулись домой после обучения за границей. Также есть отличные ученые, которые учились только у нас, в Казахстане, и делают большие интересные проекты. Наша наука развивается и будет развиваться дальше.

Автор благодарит Райбека Мухтара за помощь в подготовке материала.