Давайте знакомиться, я — ученый

Герой материала — Фёдор Ярошенко. Он делает фотографии для «Университетской набережной», преподает на кафедре химии твердого тела и нанопроцессов, является членом жюри конкурсов Курчатов Центра и ведет мероприятия для интересующихся наукой. Он расскажет о себе и работе в трех монологах.

 

О себе и пути в науку

— Я доцент кафедры химии твердого тела и нанопроцессов и работаю на факультете уже более 10 лет. Сначала был инженером деканата, на мне была вся электроника и техника. Параллельно с работой учился в аспирантуре.

Погрузился с головой в науку, наверное, в магистратуре, когда в лаборатории мне выделили прибор — мост переменного тока, — и я учился делать первые измерения. У меня был образец, полисурьмяная кислота (твердая неорганическая кислота, использующаяся для мембран, прим. автора). Из подручных материалов, что было, то и пытался собирать. Прибор очень долго измерял характеристики, которые меня интересовали. Приходилось целый день сидеть, чтобы хоть что-то получить. И результаты, а должна быть воспроизводимость, нужно было постоянно проверять. В аспирантуре получил новый прибор — импедансметр (устройство для измерения электрического сопротивления, прим. автора). Внешне это просто коробочка, но это был очень большой шаг, чтобы быстро получить новые данные.

Спустя год собрали новую ячейку, на которой наблюдали и воспроизводили результаты. У научного руководителя были, конечно, вопросы к моим результатам. Почему плотность такая, почему не в таблетках и так далее. Много было вопросов, и, по мере того как они поступали, пытались ликвидировать недочеты в работе. Единственное, все пришлось делать своими руками — пришлось научиться работать со стеклом, чтобы самостоятельно сделать прибор. Контакты подбирали сами, электроды вытачивали. Рассчитывали длину трубок, пружины.

С детства мне нравилось опыты проводить. У меня книжка была то ли «Мир химии», то ли «Химия вокруг нас». Там были некоторые опыты, которые я хотел воспроизвести в точности как написано, но никогда ничего не получалось. Я не знаю, что я делал не так.

Параллельно занимался резьбой по дереву. Фигурки делал. Потом узнал, что есть морилка. Это жидкость, которая дает оттенок древесине. Тогда у морилки было всего два цвета: светло-коричневый и темно-коричневый. И мне стало интересно, могу ли я сделать еще что-то с помощью реактивов? И я делал из того, что в школе было: уксусная кислота, растворы. Такая химия на бытовом уровне.

Не сказал бы, что была большая тяга к решению химических уравнений, разбору задач. Я из-за конкурса резьбы по дереву пропустил один из уроков химии, где разбирали количество вещества, было непонятно в дальнейшем как решать химические задачи.

Химия понравилась в колледже. Началась органическая химия и гомологические ряды, это было очень понятно. Окончательно решил, что выберу химию, после дисциплин преподавателя по металлургии. Мы проводили расчеты, и он рассказал так, что сразу все стало понятно.

Закончил колледж, подумал стать металлургом, но не сложилось. Тогда решил, что точно иду на химию. Поступил на бакалавриат. Когда учился, у меня не было определенной научной темы. Была исследовательская работа по лечебным свойствам шунгита (горная порода, прим. автора). Вроде как, если его поместить в воду, то он наделит ее чуть ли не магическими свойствами. У меня был маленький кусочек породы, я его выдерживал в воде, проводил эксперименты и смотрел количество количественные и качественные характеристики. Другая работа была связана уже с практическим применением. Был проект по совмещению производства рыбы и выращиванию растений. На первом этаже рыба, на втором гидропоника (метод выращивания растений в питательном растворе, прим. автора). Проект не пропустили, сказали, что не рентабельно. Еще одна работа была по полимерпесчаным панелям, исследовал ПВХ (один из видов пластика, прим. автора). Брали полимер, плавили, смешивали с мелом и прессовали в форму. Нужно было проверить панель на устойчивость к кислотам, механическим повреждениям, щелочам, перманганату (марганцовке, прим. автора). Диплом был связан тоже с этими панелями.

Когда учился на четвёртом курсе бакалавриата, у меня были занятия по физике. Их вел молодой преподаватель, у которого была работа по выделению света при кристаллизации хлорида натрия (поваренной соли, прим. автора). В раствор он проливал хлорид натрия, кислоту и начинался процесс.

Ему нужна была концентрированная соляная кислота, а у него на факультете была только техническая. Преподаватель обращался ко мне, чтобы я ее почистил. За работой с ним подружились и мне он подсказал, к кому поступить в магистратуру. Сказал, что есть такой научный руководитель, Бурмистров Владимир Александрович, который занимается водородной энергетикой.

Я посмотрел, что исследовано, начал читать, искать информацию и понял, что там ничего нового нет. Все изучено. С физиком тоже поговорил, он подсказал, куда копать, чтобы найти темы исследований. В любом случае, я тогда еще выбирал: остаться в Костанае или поехать в Челябинск. Много вопросов было: пройду ли, достаточный ли у меня уровень, подойду ли я.

Решил приехать и посмотреть. Попал к Бурмистрову. Обсудили все волнующие моменты с ним. Он сказал: приезжайте в приемную комиссию. Летом написал вступительное испытание и поступил.

В начале первого семестра выбирали научных руководителей, думали, за кем закрепиться. В тот момент я понял, что есть еще, что исследовать. И пошел к Бурмистрову.

 

О профориентации и мероприятиях для школьников

— Тут интересная история. Я бы не сотрудничал с Информационным центром по атомной энергии (ИЦАЭ), не контактировал с Курчатов Центром, если бы не занимался профориентационной работой. Я попал туда, когда учился в магистратуре. Мы проводили день открытых дверей, и сначала я был просто участником. Потом помощником организатора, проводил очень красочные опыты. На мероприятиях меня заметил декан наш Владимир Александрович, и сказал: «Давай мы тебя назначим ответственным за профориентационную работу, ты хорошо работаешь со школьниками». И года три-четыре я занимался этим. С того момента эта работа меня не отпускает. К тому же все равно привлекают на кафедре. «Ну, Федор, ты же работал со школьниками». Иногда могут за день написать, что завтра экскурсия, нужно что-то рассказать ребятам. Проводил мероприятия в рамках детского университета, «полулекционные-полулабораторные» работы, эксперименты.

В 2020 году подключился к передаче ИЦАЭ, они проводили конкурс на самый интересный вопрос от зрителя. Я один раз выиграл, второй, третий. Пришел забирать призы и познакомился с Ларисой Матвеевой, она приглашала меня как зрителя. Когда я защитил диссертацию, Лариса стала меня приглашать на мероприятия ИЦАЭ как эксперта: «Теперь вы кандидат наук, в совершенно другом статусе».

В Курчатов Центр меня приглашали в качестве члена жюри в разных конкурсах. Шаг в будущее, Интеллектуалы XXI века, наша Малая академия. Потом они стали высылать работы на проверку. Приезжали школьники, им показывали химическую, физическую лаборатории.

 

Как выбрал тему исследования и каких результатов добился

— Мне говорит научный руководитель предложил исследовать различные модификации, их синтез, структуру и проводящие свойства полисурьмяной кислоты.

Обычно, когда мы проводили исследования, то меняли атомы в структуре полисурьмяной кислоты. То есть, атом сурьмы меняли на другой атом. Все просто: вот у нас есть структура. Вводим в ее состав ион, который нужно заменить. Дальше или греем до высоких температур, и происходит замещение атома на нужный нам, или с помощью гидролиза (разложения вещества в воде, прим. автора). Синтез может быть низкотемпературный, в растворе, или высокотемпературный, в твердом теле.

Так можем атомы сурьмы менять на вольфрам, кремний, ваннадий. На ряд ионов замещаем и смотрим, как поменялась кристаллическая структура, поменялся ли параметр элементарной ячейки (самая маленькая единица строения твердых веществ, прим. автора), проводимость. Когда мы вводим другой ион, у него другой размер, сила, с которой он притягивает другие атомы, меняются и свойства соединения.

Пока выполнял эту работу, наткнулся на много публикаций, в которых меняли не структуру, а поверхность. Либо порошок выдерживали в растворах кислот, либо кислоты захватывались поверхностью и удерживались. И такая частица, которая прошла модификацию, обладает совершенно новыми свойствами. Проводимость может увеличиться на порядок, в десять, в сто раз. И мы решили провести модификацию тоже. Сейчас получили частицы полисурьмяной кислоты, на поверхность которой нанесли диоксид кремния. И исследуем, как поменялись свойства частиц. Подключаем рентгеновский метод, сканирующую и просвечивающую микроскопию. Отвечаем на вопросы, что происходит, получилось ли вообще провести модификацию.

После того, как я начал ездить на конференции, стало понятно, что наш объект исследования имеет некоторые особенности и сразу поместить его в топливный элемент не получится. Но можно получить композиционный материал, как я говорил про ПВХ панели. Можно сделать что-то похожее, такой материал будет обладать новыми свойствами, его проводимость будет выше, влагоудерживающая способность лучше, он будет устойчивей к температурам.

Нужно было разработать методику синтеза таких материалов, разработать частицы, и способ введения их в полимерную матрицу или мембрану. На основе этой работы защитил диссертацию. А дальше встал вопрос: продолжать исследовать композиционные материалы, или исследовать полисурьмяную кислоту. Подумал, а что, если ее поверхностно модифицировать? Подтолкнула меня к этому работа Дмитрия Альбертовича Захаревича, тоже ученика Бурмистрова. У него был аспирант, они проводили с ним поверхностную модификацию с фосфорной кислотой. Да, на поверхности образуется оболочка из кислоты, но она растворимая в воде, а значит, будет вымываться. Я подумал взять нерастворимое в воде соединение и его нанести на другое нерастворимое.

Суть в том, что мы увеличиваем количество дефектов на поверхности частицы. Есть частица и она может соединяться с другими, образуя агрегаты. А когда мы ее заключаем в оболочку при поверхностной модификации, она все еще может соединяться. Но из-за того, что у нас есть эта оболочка, на границе возникает большее количество дефектов, нежели контактировали бы между собой обычные частицы кислоты.

Взять, например, улицу. Прошел дождь, а нам нужно перейти через дорогу. Ноги промочить не хочется. Как можно перейти? Можно сделать один большой шаг, но это сложно. А мы находим какие-то камушки, кирпичики, кладем в лужу. И можем пройти по дорожке из кирпичиков. То же самое здесь. Когда задаем дефекты, то создаем как бы мостик, по которому заряды могут перейти от одной частицы к другой и двигаться дальше.

Если мы не проводим поверхностную модификацию, у нас этих кирпичиков очень мало. И мало заряженных частиц, которые обладают такой энергией, чтобы могли перепрыгнуть.

Начали разрабатывать методику синтеза. По-разному пробовали, сейчас получилось, теперь исследуем. Термические исследования провели, выяснили, что при модификации увеличивается температура начала процесса удаления воды. Если берем просто полисурьмяную кислоту, то начало удаления воды – примерно 50-60 градусов. У поверхностно-модифицированной уже 100-110 градусов. Температура повысилась, значит, такие частицы могут работать при более высокой температуре. А значит и топливный элемент, в котором будет эта мембрана, будет работать при температуре выше ста градусов.

Я проявил инициативу, скооперировались с преподавателями физического факультета, с Юлией Александровной Лупицкой, Максимом Николаевичем Ульяновым. С нашего факультета с Дмитрием Сергеевичем Ряшенцевым. Такой группой и проводим исследования. Кто-то занимается подготовкой образца, кто-то связью с журналами, кто-то методикой синтеза. Студентов тоже подключаем. Исследование можно проводить в одиночку, но группой быстрее и проще.

Юлия Александровна подавала заявку на грант, ее поддержали. Сейчас она руководитель гранта. Те же исследования на просвечивающем микроскопе, термоанализаторе — это в любом случае оплата работы оператора. Где-то в соавторы включаем, где-то платим. Либо за деньги, либо за славу, как говорится.

Когда мы полностью исследуем полученные частицы, планируем ввести их в мембраны, которыми я занимался — это либо поливиниловый спирт, либо мембрана МФ-4СК — и посмотреть, как поменяются свойства этого композиционного материала. Изменения должны быть в лучшую сторону, учитывая, какие свойства получает сейчас материал, который мы исследуем.

Материал подготовлен Леонидом Каменщиковым