Концентрована енергія
Уявіть собі батарейку в комп’ютері чи телефоні, яку можна зарядити за хвилину-дві і яка триматиме заряд значно довше від звичайної, а перезаряджатися буде мільйони разів замість теперішніх кількох сотень чи двох-трьох тисяч. І все це за температури до мінус 40 градусів, за якої звичайні смартфони вже ледь дихають. Наразі такі батареї розроблюють учені та інженери, частково їх уже використовують у промисловості, а згодом без них складно буде уявити нашу цивілізацію. Великий внесок у ці дослідження зробив українець Юрій Гогоці.
Індекс Гірша — це показник наукової впливовості науковця. Він відображає затребуваність та активність ученого. Під час написання цих рядків індекс становить 95. Це дуже великий показник, у багатьох нобелівських лауреатів він менший. Можна стверджувати, що Юрій зараз є найцитованішим українським ученим. На його наукові праці посилаються більш як 41 тисячу разів, із яких понад 6 тисяч разів — на статтю про суперконденсатори, що вже зараз роблять революцію у сфері зберігання енергії.
Скоро суперконденсатори знадобляться усім. Ваша автівка майбутнього заряджається від сонячної батареї, та вночі їхати також треба. І ось тут конденсатори надвеликої ємності стануть у нагоді.
На шкільних уроках фізики навчають, що конденсатор складається із двох паралельних обкладинок (електродів), заряджених до зарядів протилежних знаків і розділених дуже тонким шаром ізолятора (діелектрика). Такий пристрій здатен зберігати електричний заряд. Важко навіть навести приклад електроніки, де не використано конденсаторів. Скрізь, де потрібно запасати, а потім віддавати енергію, налаштувати прийом-передачу електромагнітних хвиль, — конденсатори незамінні. Проте ємність сучасних конденсаторів має межі. Чим вона більша, то більша площа обкладинок та менша відстань між ними. Збільшувати обкладинки нераціонально, адже тоді пристрої будуть величезними, а безкінечно зменшувати відстань неможливо.
Суперконденсатор убиває двох зайців — він має велетенську площу поверхні за малих розмірів, а також найменшу з можливих відстань між імпровізованими обкладинками. Його електродами слугує пористий матеріал на кшталт активованого вугілля. Через велику кількість пор активоване вугілля має велетенську площу поверхні, яка може сягати трьох тисяч квадратних метрів для лише одного грама речовини. Це майже половина футбольного поля! Відстань між електродами заповнена електролітом — речовиною, яка легко розщеплюється на позитивні та негативні йони (заряджені атоми). При подачі напруги на таку конструкцію йони збираються — адсорбуються — на поверхні пор, яка набуває протилежного до них заряду. Утворюється так званий подвійний електронний шар — тепер поверхня активованого вугілля, протилежно заряджена з різних боків, стає конденсатором із дуже-дуже малою відстанню між зарядами — в десятки мільярдів разів меншою за метр.
Що іще потрібно для щастя? Тільки новітній матеріал, який зможе зробити суперконденсатори ще кращими, адже їхня ємність усе ж не дотягує до звичних нам літій-йонних батарейок. І команда Гогоці відкрила такий матеріал.
Псевдоконденсатори.
Вони працюють ніби як конденсатори з подвійним електронним шаром. Та насправді у них на поверхні відбуваються електрохімічні реакції — як в літій-йонних акумуляторах. У результаті ми можемо запасти значно більше енергії. Псевдоконденсатори будуть запасати і віддавати енергію так само швидко, як традиційні конденсатори, проте її буде настільки багато, як у літій-йонних акумуляторах.
І ось тут можуть бути корисними максени — сімейство матеріалів, відкритих Юрієм Гогоці у Дрексельському університеті 2011 року. Це двовимірні, або 2D-кристали. Вони дуже тонкі, усього кілька атомних шарів, та мають відносно велику площу.
Перший 2D-кристал, графен, отримали лише 2004 року фізики з Манчестера Андрій Гейм та Костянтин Новосьолов, яким за це епохальне відкриття присудили Нобелівську премію. Коли ви малюєте олівцем, на папері залишаються шматочки графіту. Один атомний шар графіту — це якраз графен, його можна відщепити звичайним скотчем (кажуть, що «Нобелівка» Гейма та Новосьолова — остання премія, видана за відкриття, зроблене підручними засобами). Атоми вуглецю об’єднані у шестикутники, які можна порівняти із сіткою у футбольних воротах чи бджолиними сотами. Хоча тоншого матеріалу не може бути, він має виняткові властивості — добру електропровідність та велику міцність.
Відкриті Юрієм матеріали складаються із шарів вуглецю або азоту, що розташовані між двома шарами металу. Наприклад, максен Ti2C — це такий собі атомний «сендвіч»: шар вуглецю — ніби котлета, затиснута шматками «хліба» з титану. Це найпростіший «сендвіч» такого типу, адже максени бувають справжніми «біг-маками» — коли кілька «котлет» затиснуті кількома «хлібинами».
Юрій наголошує, що ніколи не можна сказати напевне, де знадобиться новий матеріал:
— Де будуть іще використовувати? Побачимо. Можливо, в енергетичній галузі, у нових смартфонах, у медицині, для очищення води. Ми досліджуємо усі ці можливості — і час покаже, що зацікавить промисловість.
Про науку в Україні
— Треба навчитися робити щось краще за інших. Використати досвід колишньої радянської науки, поєднати із сучасними розробками. Є потенціал: люди з доброю освітою та щирим науковим інтересом.
По-перше, потрібен інтерес до науки, по-друге — умови: обладнання, колектив та фінансування. У мене були дуже великі надії на зміни в Україні, коли Президентом став Петро Порошенко, адже йшла мова про те, що знову може настати зірковий час української науки. Але, на жаль, ситуація з Кримом та на сході України все змінила. Всі сили спрямовані на те, аби вирішити ці питання, а не на підтримку науки й економіки. Це сумно, але факт. Я не очікував, що Україна може бути втягнутою у війну, але політика та політичні ігри — річ непередбачувана. Саме тому наука мені подобається набагато більше, ніж політика.
В Україні, на думку вченого, важливо штовхати вперед обчислювальну науку, а потім піде в хід і експериментальна:
— Для цього не потрібно мільярдних капіталовкладень, в Україні є багато випускників вишів із достатніми знаннями, аби втягнутися в науку. Їм потрібні лише люди, які зможуть показати вектор. На мій погляд, розвиток теоретичної та обчислювальнoї науки — це та сфера, де вже є велика кількість наукових працівників, людей із достатньою комп’ютерною грамотністю, які могли б швидко себе реалізувати.
Порівнюючи свій досвід роботи у різних країнах, Юрій Гогоці наголошує, що кожен науковець мусить дозволити собі жити на зарплату:
— Це дає змогу зосередитись на науці і не думати про те, як вижити, як забезпечити сім’ю, як зібрати гроші на квартиру. Якщо людина може достатньо заробляти, працюючи в науці, тоді вона має час зосередитись на дослідженні. Це те, що необхідно змінити в Україні, аби можна було будувати наукову роботу. Це те, що змінив Китай, коли різко підвищив зарплати науковим співробітникам, привертаючи увагу також тих, хто вчився та працював в інших країнах, і заохочуючи їх повернутись. Так було в Сінгапурі, в Кореї, на Тайвані.
Немає коментарів:
Дописати коментар