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

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.

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.