Նյութերի ֆիզիկաքիմիական հատկությունների վրա կարող են ազդել շատ հանգամանքներ՝ սկսած դրանց մաս կազմող մոլեկուլներից մինչև այն, թե ինչպես են այդ մոլեկուլները դասավորված։ Վերցրեք, օրինակ, որևէ նյութ, ու այն իր սովորական վիճակից փոխակերպեք հեղուկ բյուրեղայինի։ Հեղուկ բյուրեղային վիճակում նյութերը մի կողմից ունեն հոսունություն, ինչպես հեղուկները, մյուս կողմից՝ կանոնավոր կառուցվածք, ինչպես բյուրեղները։ Ինչպե՞ս են այս վիճակում փոխվում նյութերի հատկությունները, ի՞նչ առավելություններ կարող է դա ունենալ․ այս հարցերն են Քիմիական ֆիզիկայի ինստիտուտի Հեղուկ բյուրեղային նանոհամակարգերի գիտական խմբի ուշադրության կենտրոնում։
Ամիսներ առաջ, երբ խմբի գիտնականներն ուսումնասիրում էին հերթական նյութի հեղուկ բյուրեղային վիճակը՝ փորձելով լավարկել դրա՝ լույսը կլանելու հատկությունը, փորձերի ժամանակ մի հետաքրքիր երևույթ նկատեցին։ Նրանք ֆոտոդետեկտորի նախատիպ էին պատրաստել, որի վրա լույս էին ուղղում և հետևում ազդանշաններին։ Սակայն նկատեցին, որ ազդանշանի փոփոխություններ են տեղի ունենում լույսի ազդեցությունից անկախ, օրինակ՝ շնչառությունից։ Գիտնականները ենթադրեցին, որ սարքը կարող է արձագանքել օդի խոնավությանը, սակայն այդ վարկածը դեռ հաստատել էր պետք։ Իրենց ընթացիկ հետազոտությունն ավարտելուց հետո նրանք վերադարձան այս հարցին, որն էլ դարձավ նոր ուսումնասիրութան թեմա, իսկ արդյունքները վերջերս ամփոփվեցին Journal of Science: Advanced Materials and Devices ամսագրում։
Հեղուկ բյուրեղային նանոհամակարգերի գիտական խմբի ղեկավար Հերմինե Ղարագուլյանը նշում է՝ իրենց թիմին հետաքրքրող հիմնական հարցը նյութերի հատկությունների փոփոխությունն է հեղուկ բյուրեղային վիճակում և նյութերի ղեկավարումը այլ հեղուկ բյուրեղներով։ Այս անգամ գրանցված պատահական արդյունքը, սակայն, պատճառ դարձավ մի փոքր շեղվելու իրենց հիմնական ուղղությունից և սկսելու խոնավության սենսորի նախատիպ պատրաստելու աշխատանքներ։
Խոնավության սենսորներն ունեն տարբեր կիրառություններ, որոնցից են շրջակա միջավայրի մոնիթորինգը, ինչպես նաև սմարթ սարքերն ու հագուստը, որոնք խոնավության գրանցման հիման վրա տեղեկություններ են հաղորդում քրտնարտադրության, ջրազրկման և այլնի մասին։
Այսպիսով, գիտնականները նախ ընտրեցին անհրաժեշտ նյութերը, ապա թիմի անդամներից Ալեքսեյ Վասիլևը սկսեց իրականացնել դրանց սինթեզը։ Գիտնականներն ընտրեցին երկու նյութեր, որոնք առանձին-առանձին արդեն իսկ կիրառվում են խոնավության սենսորներում։
Առաջինը վոլֆրամի երկսուլֆիդն է, որը հատկություններով ու կառուցվածքով շատ նման է նրանց նախորդ հետազոտության ժամանակ ուսումնասիրված նյութին։ Վոլֆրամի երկսուլֆիդը բյուրեղային տարբեր կառուցվածքներ կարող է ունենալ, հետևաբար նաև՝ տարբեր հատկություններ, ինչը հնարավորություն է տալիս այն կիրառել էլեկտրոնիկայում։
Այս միացությունն ամենից հաճախ հանդիպում է բյուրեղային երկու կառուցվածքներով, որոնցից մեկը նրան տալիս է կիսահաղորդչային հատկություններ, մյուսը՝ մետաղական։ Գրականության մեջ կիսահաղորդչային հատկություններով կառուցվածքը լավ ուսումնասիրված է, մինչդեռ մետաղական հատկություններով կառուցվածքը՝ ոչ այնքան։ Գիտնականները վերցրին միացության հենց երկրորդ՝ քիչ ուսումնասիրված կառուցվածքը։
Որպես երկրորդ բաղադրիչ ընտրեցին վերականգնված գրաֆենի օքսիդը։
Գիտնականները վոլֆրամի երկսուլֆիդն ու վերականգնված գրաֆենի օքսիդը կայունացրին պոլիվինիլպիրոլիդոն կոչվող նյութով, ապա ստացված միացությունը բերեցին հեղուկ բյուրեղային վիճակի։ Հեղուկ բյուրեղային վիճակում նյութն ունենում է կանոնակարգված դասավորություն, ինչը հնարավորություն է տալիս ձևավորելու համասեռ բարակ թաղանթներ։ Իսկ համասեռ թաղանթները շատ կարևոր են սենսորների ու այլ սարքերի համար։
Վոլֆրամի երկսուլֆիդն առանձին վերցրած օժտված է լիցքակիրների տեղափոխման լավ հատկությամբ, բայց մետաստաբիլ է։ Իսկ վերականգնված գրաֆենի օքսիդն իր մեծ մակերևույթի շնորհիվ հաղորդականության տեսանկյունից շատ լավ հիմք է, բայց դանդաղ է վերականգնվում խոնավության վերացումից հետո։ Այսինքն՝ այդ նյութերն առանձին-առանձին վերցրած ունեն առավելություններ, բայց ունեն և թերություններ, հետևաբար՝ դրանց միավորումը տվեց սիներգիկ էֆեկտ։
«Մենք ինչ-որ գերհայտնագործություն չենք արել․ մեր առավելությունն այստեղ մի քանի հատկությունների բավականին հաջող միավորելն է մի համակարգի մեջ այն տեսանկյունից, որ մեր թաղանթները շատ համասեռ են։ Եվ դա շնորհիվ նրա, որ ոչ թե ուղղակի այդ նյութն ենք վերցրել, այլ դրա հեղուկ բյուրեղային փուլը»։
Հաջորդ փուլում գիտնականները սինթեզված նյութի հիման վրա խոնավության սենսորի նախատիպ պատրաստեցին և սկսեցին ընդունված մեթոդաբանությամբ չափումներ կատարել՝ հասկանալու, թե որքան արդյունավետ է իրենց ստացած միացությունը գրանցում խոնավությունը։ Չափումներն իրականացնում էին լաբի ամեներիտասարդ անդամները՝ մագիստրատուրայի ուսանող Սառա Գյոզալյանն ու բակալավրի ուսանող Լիլիթ Ավանեսյանը, որոնք երկուսն էլ Հերմինե Ղարագուլյանի ուսանողներն են։
Արդյունքների չափման գործում Հերմինե Ղարագուլյանը կարևորում է նաև հայաստանյան հետազոտական մի քանի կառույցների աջակցությունը (Երևանի պետական համալսարան, Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիա, Ֆիզիկական հետազոտությունների ինստիտուտ), որոնք իրենց սարքերն ու ենթակառուցվածքները տրամադրեցին մի քանի փորձերի իրականացման համար։
Չափումները ցույց տվեցին, որ սենսորը գրանցում է խոնավությունն ու վերականգնվում 45 վայրկյանի ընթացքում նույնիսկ խոնավության միջին արժեքների դեպքում և շատ ցածր խոնավ օդի հոսքի արագության դեպքում։ Գիտնականները նաև կայունության փորձարկումներ անցկացրին, և սենսորն ավելի քան վեց ամիս գրեթե անփոփոխ արձագանքում էր խոնավությանը։
Հերմինե Ղարագուլյանը, սակայն, ոչ այնքան այս արդյունքն է կարևորում, քանի որ գրականության մեջ եղած նմուշները նույնատիպ ու երբեմն ավելի լավ արդյունքներ են գրանցում, այլ այն, որ իրենց նախատիպը զգայուն է խոնավության բավականին լայն դիապազոնի համար։ Փորձերի ընթացքում խմբի անդամները վերցրել էին 7-94% խոնավության միջակայքն ու արձանագրել, որ և՛ բարձր, և՛ ցածր խոնավության պայմաններում սարքն արձագանքում էր բավականին լավ։ Գիտնականը նշում է՝ առկա սենսորների դեպքում ավելի հաճախ հանդիպում են այնպիսի սարքեր, որոնք կա՛մ բարձր խոնավությանն են լավ արձագանքում, կա՛մ ցածր։
Բացի այդ՝ սենսորի համար օգտագործված նյութը ենթակա է բազմակի օգտագործման։ Այն կարելի է հեշտությամբ մաքրել, դարձյալ լուծել ինչ-որ լուծիչում և կրկին նստեցնել սենսորի վրա։
Հերմինե Ղարագուլյանի խոսքով՝ իրենց մյուս կարևոր արդյունքն այն էր, որ, ինչպես ակնկալում էին, հեղուկ-բյուրեղային վիճակը նյութի հատկություններում փոփոխություններ մտցրեց։ Օրինակ, եթե սովորաբար սենսորներում խոնավության աճին զուգահեռ դիմադրությունն ընկնում է, և հաղորդականությունն ուժեղանում, ապա իրենց սարքը ցույց էր տալիս բոլորովին հակառակ պատկեր․ դիմադրությունն ուժեղանում էր, հաղորդականությունը՝ նվազում։ Սա ևս մի անգամ ցույց տվեց, թե պոլիվինիլպիրոլիդոնի շնորհիվ կայունացված հեղուկ բյուրեղային վիճակն ինչպիսի կտրուկ փոփոխություններ է մտցնում նյութերի հատկություններում։
Չափումների արդյունքներն մշակեց ու տվյալները վիզուալացրեց խմբի անդամներից Մարինա Ժեժուն։ Դե իսկ ուսումնասիրությունը հոդվածի տեսքի բերեց Հերմինե Ղարագուլյանը։ Վերջինս նշում է՝ մինչ հոդվածը միջազգային ամսագիր գրախոսության կուղարկեին, այն, կարելի է ասել, նախնական գրախոսության անցավ իրենց միջազգային գործընկերների մոտ, որոնց խորհուրդներն օգնեցին լավարկել աշխատանքը։
Սակայն պարզվեց, որ ամենադժվար փուլը դեռ առջևում է․ ամսագրի գրախոսները բավականին խիստ կարծիքներ էին ուղարկել և գիտնականներին ընդամենը մեկ ամիս ժամանակ տվել փոփոխությունների համար։ Գրախոսների հիմնական դիտարկումները վերաբերում էին լրացուցիչ չափումների անհրաժեշտությանը։ Այդպիսով, ամանորյա արձակուրդները խմբի անդամներն անցկացրին լաբորատորիայում, անգամ որոշ գիշերներ այնտեղ լուսացրին։
Ի վերջո, նրանք կատարեցին անհրաժեշտ լրացուցիչ չափումները։ Նախ ցույց տվեցին, որ իրենց սինթեզած միացությունն ավելի արդյունավետ է խոնավությունը գրանցում, քան դրա բաղադրիչ նյութերն առանձին վերցրած։ Ապա նաև իրական կյանքում չափումներ արեցին՝ օդի հոսք ուղղելով դեպի սենսորի նախատիպը և հետևելով դրա գրանցած ազդանշանին։ Գիտնականները հիշում են՝ այդ մեկ ամսում նույնքան աշխատանք արեցին, որքան հոդվածի պատրաստման մի քանի ամիսների ընթացքում։
Լրացուցիչ աշխատանքների ամփոփումից հետո արդեն հոդվածը լույս տեսավ։ Այս ամբողջ գործընթացքում Հերմինե Ղարագուլյանը կարևորում է իրենց թիմային աշխատանքը և թիմի ամեն անդամի ներդրումը։
Լուսանկարները՝ Ռոման Աբովյանի
Կարդացեք նաև «Հանրագիտ» շարքի նախորդ հոդվածը՝ «Տեսականորեն՝ գրավիչ, գործնականում՝ խոցելի․ ժողովրդավարությունն առանց փորձագիտական կարծիքի | Հանրագիտ»
«Հանրագիտ» շարքն իրականացվում է «Երիտասարդ գիտնականների աջակցության ծրագրի» (ԵԳԱԾ) ֆինանսավորմամբ։
