12411
18 января 2021
Аяулым Белгибаева, химик, иллюстрация Айдара Ергали

Алия Муканова, физик и нанотехнолог: «Разработка микроаккумуляторов — ювелирная работа»

О разработке твердотельных микроаккумуляторов в качестве источников энергии для микрооборудования

Алия Муканова, физик и нанотехнолог: «Разработка микроаккумуляторов — ювелирная работа»

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.

Представьте себе аккумулятор величиной в 10 раз меньше, чем толщина вашего волоса. Разработкой именно таких микроаккумуляторов занимается наша героиня, физик и нанотехнолог Алия Муканова.

Алия родилась в многодетной семье в городе Семей. Наукой она заинтересовалась благодаря своему отцу, когда помогала ему писать трактаты в области теории относительности. Свою научную карьеру Алия начала как физик-ядерщик и исследовала материалы для термоядерных реакторов в условиях реакторного излучения в Институте Атомной Энергии, г. Курчатов. После поступление на PhD в Назарбаев Университет, Алия перенаправила область своих научных интересов в сторону разработки электрохимических источников хранения энергии.

В рамках своего PhD-проекта, она под руководством профессора Жумабая Бакенова разработала тонкопленочный кремниевый анод для литий-ионных микроаккумуляторов. По версии Web of Science, серия статей по этой работе вошла в топ самых цитируемых в мире в области нанотехнологии.

Сейчас Алия работает над разработкой твердотельных микроаккумуляторов в качестве источников энергии для микрооборудования, таких как беспроводные микросенсоры, устройства для доставки лекарств, нейро- и кардиостимуляторы, умные карты и многое другое. Твердотельные аккумуляторы — аккумуляторы нового поколения, в которых вместо воспламеняющегося раствора электролита используются твердые ионные проводники. Основное преимущество таких аккумуляторов — высокая безопасность. К слову, технологические гиганты всего мира сейчас борются за право называться лидерами в разработке первого прототипа такого аккумулятора.

Аяулым Белгибаева: Как вы объясняете своим детям то, чем занимаетесь в лаборатории?

Алия Муканова: Детям я пока просто объясняю, что на работе мы делаем батарейки, которые помогут устройствам дольше работать, что экран телефона будет светить ярче благодаря сильной батарейке, а ноутбук будет легче. Буквально недавно 7-летний сын спросил меня, как устроена батарейка внутри, пришлось импровизировать, показывая, как плюсы (ионы) и минусы (электроны) перемещаются.

Аяулым: А как прошло ваше детство?

Алия: Я родилась на родине Абая, в Семипалатинске (ныне г. Семей), была младшим ребенком в многодетной семье, отец — учитель физики, мама — домохозяйка. Детство пришлось на непростые 90-е годы, отец ушел с низкооплачиваемой работы учителя и занялся коммерцией, многие именно так выживали в те времена. Кроме того, отец основал мини-производство различной продукции, которая была в дефиците: подсолнечного масла, замазки для окон (сейчас уже неактуально с появлением пластиковых окон), канцелярского мела, средства от насекомых и т.д. Сам мастерил оборудование. При этом мы, дети, активно помогали на летних каникулах и даже получали за это свой процент от дохода. В остальном детство ничем не отличалась от остальных, веселиться тоже успевали.

Аяулым: Когда вы заинтересовались наукой?

Алия: Именно отец заразил меня своим примером, тем, как он использовал свои знания в жизни, и тем, что он продолжал, так скажем, offline от всего мира, работать над расширением теории относительности, выводить новые формулы. Я помогала ему — заносила работу в компьютер, оформляла книгу.

Аяулым: Как началась ваша научная карьера?

Алия: В 10 классе на семейном совете было принято решение, что я буду поступать на физика-ядерщика, чтобы затем работать в г. Курчатове, там находятся несколько исследовательских институтов и Национальный ядерный центр. Поэтому я поступила в Семипалатинский государственный университет им. Шакарима на кафедру технической физики, где готовили кадры именно для работы в тех институтах. Во время обучения нас отправляли туда на практику, на подготовку дипломного проекта, там к нам присматривались и отбирали для трудоустройства.

Аяулым: После бакалавриата вы сразу начали там работать?

Алия: Не сразу, я поступила на магистратуру в Национальный исследовательский Томский политехнический университет. А уже после обучения там я вернулась в лабораторию внутриканальных испытаний (Институт Атомной Энергии НЯЦ РК), где ранее проходила практику.

Аяулым: В Институте Атомной Энергии вы вели исследования в области термоядерного реактора. В чем его преимущество?

Алия: Термоядерный реактор может дать намного больше энергии, чем все существующие энергетические установки. При этом он не требует огромного количества топлива, более безопасен с точки зрения возможности взрывов при потере контроля над реакцией, а также отсутствуют радиоактивные отходы, как в реакторах деления. В прошлом году во Франции началось строительство международного термоядерного энергетического реактора ITER, к этому шли более 30 лет.

Аяулым: А что именно вы исследовали?

Алия: При работе с термоядерным реактором самое важное — обоснование его радиоэкологической безопасности. Для термоядерного синтеза в реакторе используются изотопы водорода, один из которых — радиоактивный тритий. Он не должен проходить наружу сквозь материалы и создавать радиоактивный фон вне реактора. Поэтому крайне важно исследовать процесс диффузии трития во всех структурных материалах термоядерного реактора. Наша лаборатория занималась исследованием водородопроницаемости различных материалов, которые были кандидатами для использования внутри термоядерного реактора.

Аяулым: Сейчас вы разрабатываете литий-ионные аккумуляторы. Как так получилось?

Алия: Через некоторое время работы в Курчатове, мне пришлось переехать в Алматы, там я работала в НИИ экспериментальной и теоретической физики и занималась тем же, что и ранее, но вскоре снова переезд — в Астану, где я оказалась в числе первых поступивших на докторантуру Назарбаев Университета (НУ). В НУ в то время был небольшой выбор тематик для работы, не было ещё достаточно оборудования, поэтому мне пришлось поменять область интересов и вместо реакторного материаловедения изучать и разрабатывать наноматериалы для электрохимических источников энергии. Этим направлением я заинтересовалась, побывав на семинаре профессора Жумабая Бекболатовича Бакенова.

Аяулым: Не было ли тяжело менять научную область? Каким специалистом вы считаете себя сейчас?

Алия: Электрохимия и нанотехнология по своей сути являются междисциплинарными разделами наук. К примеру, сейчас мы занимаемся разработкой твердотельных микроаккумуляторов, физика и химия здесь равноценны. Другой плюс — расширенный диапазон знаний, который позволяет выходить за общепринятые рамки. Но по основному образованию я физик, и мыслю соответственно, так что, пожалуй, им и останусь.

Аяулым: То есть, набранные опыт и знания при исследовании термоядерных реакторов помогли вам при разработке литий-ионных аккумуляторов? У вас появились какие-нибудь необычные идеи?

Алия: С виду это две абсолютно разные области, но они обе затрагивают материаловедение и диффузию элементов с одной лишь разницей в условиях, при которых происходят исследования. Действительно, случались моменты, когда я находила ответы на некоторые вопросы по аналогии с прежними своими наблюдениями. Это было интересно.

Конечно, хочется совместить всё, что накопилось в голове и создать своего рода гибридный ядерный микроразмерный либо обычный аккумулятор, но пока только размышляю над концептом.

Аяулым: Расскажите о своем любимом исследовании?

Алия: До того, как была определена тема моего PhD-проекта, я занималась синтезом графена на жидком галлии (графен — двумерный 2D-углерод, одна плоскость слоистого графита, толщиной в один атом. Обладает уникальными физико-химическими и механическими свойствами. — прим. автора). Это была моя первая работа в области нанотехнологий, я многому научилась. Но, к сожалению, проект не был одобрен к дальнейшему финансированию, и работу пришлось свернуть.

Аяулым: Графен — очень интересный углеродный материал. А как вы его синтезировали?

Алия: Мы синтезировали его методом осаждения из газовой фазы. При расщеплении метана углерод впитывался в объем галлия, а затем при остывании выделялся на его поверхности.

Аяулым: Когда я читаю статьи разных ученых по аккумуляторам, то кажется, что добавление графена может улучшить свойства любого материала, увеличивая энергоемкость в несколько раз. Но графен очень дорогой. А ваш метод синтеза решил бы эту проблему?

Алия: В большинстве случаев, новые методы затратны, особенно там, где нужны высокие температуры более 1000 ºС, однако в нашем методе мы могли сделать ставку на наличие природных ресурсов для получения галлия и на его вторичное использование. Возможно, нам бы удалось удешевить стоимость графена.

Аяулым: Почему именно галлий, ведь при синтезе углеродных материалов применяется много других разных металлов?

Алия: Для синтеза обычно используются твердые металлы, в которых атомы располагаются в определенном порядке или в кристаллической структуре. Но такие структуры бывают не идеальны, а с дефектами, из-за которых может пострадать качество получаемого графена. Жидкий галлий, в силу отсутствия кристаллической структуры, позволяет углероду естественно выстраиваться на своей поверхности в гексагональную решетку, образуя графен высокого качества.

Аяулым: Есть ли в мире аналог такого синтеза? Что нового вы узнали?

Алия: Такие работы существуют, однако в мире таких исследовательских групп всего лишь несколько. Сам процесс получения очень неординарный, в какой-то мере даже магический. В ходе наших экспериментов мы обнаруживали интересные факты, например, что графен на галлии может синтезироваться в отсутствии прекурсора, а также то, что можно использовать галлий много раз без особой очистки.

Аяулым: В отсутствии прекурсора — это как?

Алия: Прекурсор — это основное вещество, участвующее в реакции. В данном случае под прекурсором подразумевается метан, из которого берутся атомы углерода. Когда мы проводили эксперименты с уже «отработанным» галлием, оказалось, что углерод ещё остается в его объеме в достаточном количестве и при повторном нагревании-остывании вновь выделяется на поверхность, но уже более упорядоченно и создавая графен с меньшим количеством слоев. Это очень важно, т.к. чем меньше слоев, тем больше его свойства приближены к идеальному однослойному графену.

Аяулым: Легко ли получить графен таким способом?

Алия: Были сложности со сбором графена с поверхности, а также нужно было ещё много экспериментировать, чтобы получить графен большой площади. Но мелкие частицы были получены.

Аяулым: Если бы финансирование одобрили, где ещё можно было бы применять ваш графен?

Алия: В соответствии с результатами, конечно, определились бы и приложения для применения, в частности, это различные устройства микроэлектроники. Возможно, те же микроаккумуляторы, т.к. графен является активным анодным материалом с емкостью вдвое больше, чем у родственного графита. Если бы удалось получить хорошие результаты, то возможно было бы запустить производство такого графена в Казахстане, так как есть ресурсы для этого. Конечно, это не объем трехлетнего научного проекта, но перспективы были.

Аяулым: Давайте вернемся к твердотельным микроаккумуляторам. Для чего они нужны?

Алия: Сейчас повсеместно наблюдается миниатюризация устройств, разрабатываются различного рода беспроводные микросенсоры, устройства для доставки лекарств, различные медицинские имплантаты, микроприборы, нейро-, кардиостимуляторы, умные карты и многое другое. Все они требуют свои микроисточники питания. Над их разработкой мы и работаем, применяя литий-ионную технологию, так как именно она способна дать наибольшие характеристики при наименьших размерах.

Аяулым: Разработка твердотельных аккумуляторов, в которых все компоненты твердые и нет жидкого взрывоопасного раствора электролита, сейчас очень актуальна. Но, похоже, что задача не из простых. В чем основные сложности?

Алия: Да, это очень актуальное и нужное направление. Твердотельные аккумуляторы несут в себе большую безопасность при эксплуатации, т.к. минимизированы риски взрыва и возгорания, как в случае с жидким электролитом (во время работы литий-ионного аккумулятора между электродами (катодом и анодом) по внешней цепи проходят электроны и питают наши устройства, а внутри аккумулятора через электролит движутся ионы лития — прим. автора). Однако движение ионов в твердом электролите идет намного труднее, чем в жидком. Порой их нужно нагревать до очень высокой температуры, чтобы достичь желаемой проводимости. Поэтому сейчас в основном все работают над повышением способности твердого электролита быстро проводить ионы лития при комнатной температуре, этому у нас посвящен один проект. Другая трудность заключается в том, что необходимо создать хороший контакт между электродами и электролитом, чтобы не было сопротивления на интерфейсах (высокое сопротивление внутри аккумулятора ведет к ухудшению его характеристик — прим. автора).

Аяулым: Разработка микроаккумуляторов легче, чем обычных аккумуляторов?

Алия: На самом деле, сложностей с микроаккумуляторами намного больше. В первую очередь, для создания микроаккумулятора нужно специальное оборудование для получения тонкопленочных материалов. Все материалы должны исправно выполнять свои функции. Есть проблема с потерей лития при осаждении тонких пленок катода, с достижением необходимой кристаллической структуры. В твердотельных микроаккумуляторах есть дополнительные трудности с нанесением твердого электролита, поддержанием его ионной проводимости на достаточном уровне, достижением однородности пленки. Неоднородность может легко привести к короткому замыканию. Создание токоприемников и выводов, герметизация тоже требуют особого внимания (токоприемники и выводы обеспечивают движение электронов по внешней цепи аккумулятора — прим. автора). При этом, размер готового микроаккумулятора должен быть в районе 15 мкм (толщина волос взрослого человека составляет около 100 мкм — прим. автора). По сути своей, это ювелирная работа.

Аяулым: А зачем делать электроды тонкопленочными?

Алия: В силу особенностей размера, для сборки микроаккумуляторов не подходят технологии, используемые для обычных аккумуляторов. Тонкие пленки электродов же почти идеальны для микроаккумуляторов, так как их можно нанести на подложку любого размера и формы. Более того, в микроаккумуляторах мы стараемся минимизировать объем неактивных компонентов, а для нанесения тонких пленок на токоприемник не требуется клей (в обычных аккумуляторах для нанесения электродов на токоприемник порошкообразный материал смешивается с клеем, который придает электроду дополнительную массу и объем, но в производстве энергии не участвует — прим. автора).

Аяулым: А с чего начались ваши исследования в этом направлении?

Алия: Мы начали с разработки тонкопленочных кремниевых анодов в рамках моей PhD-диссертации (кремний — второй по распространенности химический элемент в земной коре, имеет высокую теоретическую энергоемкость в 3579 мА*ч/г, тогда как емкость используемого сейчас анода, графита — всего 372 мА*ч/г — прим. автора).

Аяулым: Кремниевый анод — тоже очень актуальная тема. Но, несмотря на высокую теоретическую энергоемкость кремния, на практике эта емкость не сохраняет и десяти циклов зарядки и разрядки. Вам удалось улучшить циклируемость?

Алия: Во время работы кремниевого анода в батарейке к нему присоединяются ионы лития. Из-за этого объем анода увеличивается в несколько раз. А когда литий покидает кремний, электрод трескается и теряет контакт с токоприемником. Это и является одной из причин уменьшения энергоемкости. Мы сравнили разные подложки и токоприемники, чтобы минимизировать эффект увеличения объема. Другая проблема — нежелательные реакции с электролитом на поверхности анода. Для её решения мы изучили эффект электролитных добавок. Так нам удалось увеличить циклируемость ячеек с кремниевым анодом до нескольких сотен циклов. Также мы представили обзор и сравнение существующих аналогов, что позволяет читателю найти наиболее оптимальные методы и условия для получения и применения таких электродов. Эти научные работы были опубликованы в серии статей и вошли в список самых цитируемых в мире в области нанотехнологии.

Аяулым: Здорово! Что планируете делать дальше?

Алия: В будущем буду продолжать развивать новые идеи, дорабатывать старые. Хочется сделать конечный качественный продукт, который был бы коммерциализирован и способствовал продвижению технологических инноваций.

Аяулым: А коммерциализация аккумуляторов в нашей стране реальна?

Алия: К сожалению, производство аккумуляторов в Казахстане на данный момент не является рентабельным. У нас нет соответствующих компонентов для аккумулятора (электролит, сепаратор, корпус) отечественного производства. Все поставляется извне, продукт будет дорогой. Плюс ко всему, малочисленное население в Казахстане не будет обеспечивать спрос, необходимый для поддержания производства.

Аяулым: То есть вы хотите поменять направление? Каким вы видите свой продукт?

Алия: Мне нравится тематика микроаккумуляторов, я буду продолжать работу в этом направлении, патентовать идеи. Если будет построен завод по производству хотя бы одного компонента, допустим, электродного материала, для последующего экспорта это уже будет хороший шаг вперёд. Было бы здорово для экономики запустить производство продукта, который бы пользовался спросом по всему миру. Однако перед этим нужно сделать очень много работы.

Аяулым: Что вам нужно для комфортной работы в Казахстане?

Алия: Как я говорила, я работала в разных местах в Казахстане и мне есть что сравнить. Обычно для работы с удовольствием казахстанским учёным не хватает в первую очередь зарплаты. Очень сложно отдаваться работе всецело, когда необходимо думать о жилье, питании и других бытовых потребностях. Очень много талантливых людей ушли и уходят из науки из-за этого.

Второе относится к свободе доступа к бюджету проекта. К примеру, появилась идея сделать синтез материалов, используя определенные реагенты. Но чтобы купить их, нужно найти производителя, принести три коммерческих предложения, составить техническую спецификацию, заполнить заявку и т.д. И это затягивается на 1-2 месяца. Если бы руководителю проекта было разрешено закупать реагенты самому, было бы более эффективно. Однако, и доставка, и растаможка в нашей стране сильно усложнены. Есть проблемы с покупкой оборудования, с получением финансирования для этих целей, т.к. порой стоимость оборудования превышает бюджет научного проекта.

И последнее — это снова бюрократия, только уже на другом уровне, хотя в последнее время все же стараются минимизировать документацию, сейчас уже подаем заявки и сдаём отчёты в НЦГНТЭ только в электронном виде. Хотелось бы, чтобы МОН тоже создал подобную платформу для отработки документов.

Аяулым: Не тяжело ли быть мамой в казахстанской науке?

Алия: Мамой быть несложно, мамы вообще способны делать намного больше других, потому что нет времени на прокрастинацию, есть только план и график, которому необходимо следовать. К слову, три месяца назад у меня родился третий ребенок, и даже будучи в роддоме мне приходилось решать некоторые вопросы по работе, и сейчас я постоянно контролирую прогресс по курируемым проектам.

Но конечно, это при условии, что есть родные, которые могут помочь с детьми. Нам в этом плане очень повезло, — родители помогают.

Аяулым: Считаете ли вы себя ученым?

Алия: Учёный — человек, движимый желанием сделать мир лучше и яснее. Когда я была ребенком, учёный мне представлялся в виде пожилого дяди с бородой и в строгом костюме. Но, конечно, это не так. Сама себя я могу назвать пока только молодым учёным. Для того, чтобы быть полноценным учёным, необходимо время, много качественно выполненной работы, хорошие публикации, достижения, которые принесли пользу людям, обществу, стране, подготовленные специалисты, которые продолжат работу.

Аяулым: И наконец, традиционный вопрос нашего проекта. Казахстанская наука: пациент скорее жив или мертв?

Алия: Жив и будет жить. Неприятно, когда люди в силу непонимания плохо отзываются про казахстанских учёных и науку, но, с другой стороны, критика мотивирует. Надо понимать, необходимо время и финансирование, чтобы сделать что-то стоящее, чтобы конкурировать на мировом уровне. Нашему поколению очень повезло, мы формируемся в эпоху перемен. Я знаю очень много молодых талантливых специалистов. Смотрим на будущее с оптимизмом!