Порталы Indicator.Ru и Inscience.News в рамках инициативы «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий возобновляют публикации статей нашего мегацикла «Как получить Нобелевку». Напомним, что в рамках этого проекта научный редактор порталов (и спецпредставитель Десятилетия) Алексей Паевский рассказывает обо всех «естественнонаучных» лауреатах Нобелевской премии – по физике, химии и физиологии или медицине. Мы начали с 1901 года и уже дошли до середины 1970-х, но сегодня у нас – внеочередной выпуск. 25 июня 2023 года в США не дожив месяца до своего 101-летия скончалась легенда электрохимии, человек, регулярно обыгрывавший звучание своей фамилии («достаточно хорош»), человек, благодаря которому автор может писать этот текст на держащем заряд 18 часов ноутбуке, Илон Маск – зарабатывать миллиарды на «Теслах», а все мы – залипать в смартфонах. Один из трех Великих, подаривших нам литий-ионные аккумуляторы, самый старый лауреат Нобелевской премии, Джон Гуденаф. Но обо всем по порядку.
Джон Баннистер Гуденаф
Родился: 25 июля 1922 года. Йена, Германия
Умер: 25 июня 2023 года. Остин, Техас, США
Лауреат Нобелевской премии по химии 2019 года (1/3 премии, совместно с Акиро Ёсиной и Стэнли Уиттенгемом). Формулировка Нобелевского комитета: «За развитие литий-ионных аккумуляторов (for the development of lithium-ion batteries)».
Будущий создатель современных литий-ионных батарей, американский исследователь Джон Баннистер Гуденаф, родился в романтичной Веймарской республике, в которой очень любил отдыхать в период работы в Оксфорде его отец, исследователь религии и специалист по влиянию греческой на иудаизм Эрвин Гуденаф – вместе со своей супругой Хелен, урожденной Льюис. По окончанию трехлетнего оксфордского периода Гуденафы вернулись в США и Эрвин получил позицию профессора истории религии в Йельском университете. Дед Джона купил для своего сына в ипотеку старый дом на участке в пять акров, где и поселилась их семья. Джон был младшим сыном – Уорд Хант Гуденаф II был на три года старше. К слову, он тоже стал знаменитым ученым и тоже прожил долгую жизнь. Антрополог Гуденаф прожил 94 года и внес заметный вклад в такие области науки, как лингвистическая антропология и когнитивная антропология. Позже Эрвин женится вторым браком – на Эвелин Питчер – и тоже весьма удачно с точки зрения науки. В 1943 году родится Урсула Гуденаф – сейчас ей 80, и она – известный специалист в области эукариотических водорослей, бывший президент Ассоциации религиозных натуралистов и свежеизбранная академик Национальной академии наук США. Годом позже на свет появится и Дэниел Гуденаф, будущий молекулярный биолог, специалист по щелевым контактам и клеточным мембранам.
© Wikimedia CommonsНо вернемся к нашему герою. В детстве он отличался любопытством – но не успехами в обучении.
«Мы с моим старшим братом Уордом делили северную спальню. Уорд был лидером; я тащился за ним по пятам, а он меня терпел. Мой мир был в моей собакой Маке, на близлежащих лугах и в лесах, где было так много жизни, которую можно было открывать для себя, и так много чудес, которые можно было испытать. Мне нравилось собирать трофеи, будь то бабочки, ракушки или шкуры животных. В специальной комнате на полпути к сеновалу в нашем большом сарае я разместил свою коллекцию шкур и ястребиных крыльев. Несмотря на множество удовольствий, которые я испытывал в детстве, мои 7 лет были трудными для меня. Как я боролся, чтобы научиться читать! Я читал механически, не имея возможности легко уловить смысл абзаца», - писал сам Гуденаф в своей биографии.
© Nobelprize.orgПозже, в школе было не легче – несмотря на то, что он поступил в частную Гротонскую школу как отличник, начались проблемы со Священным Писанием – на первом тестировании из 12 апостолов будущий нобелевский лауреат назвал лишь одного.
Тем не менее, в 1940 году Гуденаф поступил в Йельский университет на бакалавриат. В мире уже бушевала Вторая мировая, и было понятно, что скоро в нее вступят и США. Но пока что надо было учиться. Сам Гуденаф вспоминал:
«На первом курсе Йельского университета мне разрешили прослушать младший курс этики и эстетики вместо английского языка; младший курс перевода греческих пьес и курс высшей математики для второкурсников второго курса также дали мне хороший старт. Химия на первом курсе, качественный анализ, должна была удовлетворить мои научные потребности и дать мне возможность поступить в медицинскую школу. Психология для первокурсников оказалась интеллектуальным оскорблением; я нашел Фрейда совершенно неубедительным во многих его утверждениях, а собака Павлова тогда казалась более тривиальной, чем представлялось. Меня не привлекали науки о поведении, хотя психиатрия в то время была в моде.
Распространенным искушением молодежи тогда было желание быть знаменитым, или гламурным, или могущественным. Я понял, что не каждый может быть “царем горы” даже на короткое время. Я начал понимать, что любой смысл жизни заключается не в том, чтобы быть царем горы, а в значимости и постоянстве того, чему мы служим. Является ли служение самим себе, своему племени (этнической группе или семье) или нашей стране наивысшим служением? Во времена войны со злом служение делу более важно справедливого мира и, следовательно, помогать нашим военным усилиям имело смысл; но разрушительные средства войны всегда являются ужасающей тратой времени со всех сторон. Я изо всех сил пытался найти будущее значимое призвание после войны. Возможно, это могла быть наука; поэтому на втором курсе я решил пойти на философию науки и физику».
Наступил 1942 год. США вступили в войну – и Гуденаф отправился в армию. Его профессор математики Эгберт Майлз посоветовал Гуденафу не записываться в морпехи, а попроситься в военные метеорологи – благо квалификация у юноши была соответствующая. Возможно, именно Майлзу мы обязаны тем, что литий-ионные батареи в их нынешнем виде все-таки появились.
© Nobelprize.orgВ итоге Гуденаф получил дополнительный год обучения и с 1943 по 1945 год действительно работал метеорологам, рассчитывая погоду для бомбардировочной авиации США. А когда настало время возвращаться домой и думать, чем бы заняться на гражданке (хотя его просили остаться в армии), снова в судьбу своего студента вмешался Эгберт Майлз. Именно он рекомендовал включить Гуденафа в число 21 демобилизовавшихся офицеров, направляемых для обучения в аспирантуре в Чикагском университете по физике или математике.
«Мне предложили изучать физику и математику либо в Северо-Западном, либо в Чикагском университете, — рассказывал позже Гуденаф. — Я выбрал второе, но меня там, похоже, не ждали. Помню, мне сказали: “Разве вы не знаете, что любой, кто достиг чего-то важного в физике, уже сделал это в вашем возрасте? А вы хотите только начать?” В 1940-х годах в Чикагском университете была довольно высокая планка физики, ведь за нее отвечал Энрико Ферми. Он установил тридцатидвухчасовой квалификационный экзамен. Мы его сдавали восемь часов в день в течение четырех дней. Студенты должны были собрать большую часть материала для изнурительного экзамена, проведя собственное расследование, поскольку не всё преподавали на официальных курсах. И мне пришлось сдавать этот ужасный экзамен дважды!»
Тем не менее, талант Гуденафа позволил ему все сдать и начать работу над докторской диссертацией. В качестве научного руководителя Гуденаф, не решившийся заняться ядерной физикой, выбрал профессора Кларенса Зенера, крупного специалиста в области физики твердого тела. «Зенер занимался физикой металлов, поэтому я попросил его взять меня студентом в свою группу. Я должен был вернуться в следующий четверг, чтобы узнать о его решении. В тот четверг я вошел в его кабинет с некоторым трепетом. К моему облегчению, он сказал: “Да, ты можешь быть моим студентом”. Затем он добавил: “Теперь у тебя есть две вещи, которые ты должен сделать. Первое - найти проблему твоего исследования, а второе - решить ее. Добрый день!”» - вспоминал Гуденаф.
© Wikimedia CommonsКак писал позже Гуденаф, поиск проблемы был итерационным – сначала задача, по мнению Зенера, была слишком сложной, потом – слишком легкой, и вот – нашлась. Ему нужно было рассчитать, как взаимодействие поверхности Ферми с границами зоны Бриллюэна в некубических металлических сплавах повлияло бы на их структуру или изменило бы ее. Не будем вдаваться в детали того, что есть в физике металлов поверхность Ферми и зона Бриллюэна, расскажем только, что на защите какой-то старик вдруг встал и сказал: «Прекрасная работа, но вы неверно рассчитали зону Брилллюэна для гексагональной плотноупакованной структуры». Самое страшное было то, что этот старик оказался самим французским физиком Леоном Бриллюэном, которого как-то занесло на защиту. Впрочем, Гуденаф нашел в себе силы доказать Бриллюэну свою правоту.
Так началась самостоятельная научная карьера Гуденафа. Удивительно, но ту работу, за которую он получит потом Нобелевскую премию в возрасте 97 лет, став самым возрастным лауреатом премии в истории, он сделает только в… 58 лет. А до того на его счету масса других очень важных работ в области физики и химии твердого тела.
«Признание далось Джону нелегко, потому что физики на самом деле не считают его физиком, а химики — не считают химиком, — говорил коллега Гуденафа по премии Стэнли Уиттингем. — Он фактически увлекался междисциплинарной наукой до того, как это стало принято».
Давайте просто перечислим его работы. В 1950-х годах его работы по магнитной памяти привели к созданию как первых магнитных ОЗУ в компьютерах, так и правил взаимодействия между атомными магнитными моментами, известных ныне как правила Гуденафа – Канамори. Дальнейшие работы привели к созданию памяти на магнитной пленке и первой монографии Гуденафа «Магнетизм и химическая связь», вышедшей в 1961 году. Работы Гуденафа по изучению нестабильности решетки в оксидных системах меди в итоге привели другие группы к Нобелевским премиям за открытие высокотемпературной сверхпроводимости и гигантского магнитосопротивления. Это уже 1970-е годы.
А где же батарейки, спросите вы? Химическими источниками тока и электрохимией вообще, Гуденаф занялся уже после полувекового юбилея, когда переехал в Оксфорд. Поначалу он занимался твердооксидными топливными элементами на метаноле, но в то же самое время британец Стэнли Уиттенгем придумал первый литий-ионный аккумулятор.
© Nobelprize.orgЕще в начале ХХ века великий Гилберт Льюис предсказал, что самый ёмкий аккумулятор получится из лития. Одна беда – литий активно взаимодействует с водой, а все электролиты были водными. И только после того, как в 1960-х годах удалось сделать неводные электролиты, дело сдвинулось с мертвой точки.
Первые литий-ионные аккумуляторы сделал Стэнли Уиттенгем, который использовал металлический литиевый анод, а в качестве катода взял дисульфид титана. При разрядке ионы лития переходили на катод, и встраивались (интеркалировали) в пустоты в решетке дисульфида. Но была проблема – при зарядке аккумулятора ионы лития возвращались обратно и растили «усы» - дендриты, которые тянулись от анода к катоду, пробивая мембрану и устраивая короткое замыкание. Чтобы сделать литий-ионный аккумулятор безопасным и еще более емким, нужны были работы двух других лауреатов.
© Nobelprize.orgГуденаф, с его опытом изучения твердого тела, обнаружил, что кобальтат лития – лучший материал для анода и в итоге аккумулятор получился сильно более емким, чем у Уиттенгема. А Акиро Ёсино сумел показать, что металлический литий не нужен – можно взять и встроить атомы лития в графит, а лучше – в обыкновенный угольный кокс. Так получился современный литий-ионный аккумулятор, а миру открылся путь к созданию разнообразных гаджетов. В 1991 году коммерческие литий-ионные аккумуляторы поступили в продажу. А Гуденаф продолжал усовершенствовать. В общем, большая часть его работ после открытий рубежа 1980 года – следующие 40 лет жизни (после достижения Оксфордской пенсии Гуденаф переехал в Техас, где не было ограничения по возрасту – и проработал на профессорской должности до 98 лет, публикуя первоклассные статьи) была посвящена улучшению литий-ионных батарей.
© Nobelprize.orgУдивительное дело – последние десятилетия совершенствованием литий-ионных батарей занимаются тысячи групп по всему миру. Быть на десятом десятке жизни одним из первых в этом сонме – прерогатива одного Гуденафа. Сейчас, когда этот великий человек ушел, автор испытывает двоякие чувства. С одной стороны – смерть выдающегося ученого всегда печальна. С другой – дай Бог каждому прожить такую жизнь. Джон Гуденаф оставил нам не только великое изобретение, но и потрясающий пример самой жизни, к которому мы можем только стремиться.