Դուք առավոտյան արթնանում եք, թեյ կամ սուրճ խմում, արդուկում ձեր սիրելի վերնաշապիկն ու գնում դասի, աշխատանքի։ Ճանապարհին երևի հեռախոսով լուրերին եք ծանոթանում, սոցցանցերը թարմացնում կամ ձեր ընկերներին գրում։ Դե դասերն ու աշխատանքն էլ առանց համակարգչի հնարավոր չէ պատկերացնել։ Էլեկտրական թեյնիկ, արդուկ, հեռախոս, համակարգիչ․․․ Մեր առօրյայում օգտագործվող սարքերը կարող ենք անվերջ թվել։ Եվ այս բոլոր սարքերից մենք կարողանում ենք օգտվել էլեկտրական հոսանքի շնորհիվ:

Երբևէ մտածե՞լ եք, թե ինչ է էլեկտրական հոսանքը։ Սա հասկանալու համար պետք է դպրոցից հիշենք քիմիայի ու ֆիզիկայի դասերը։ Այսպես, դեռ դպրոցական տարիներից մեզ շատ են պատմել, որ աշխարհում ամեն բան կազմված է ատոմներից։ Ատոմներն էլ իրենց հերթին կազմված են ավելի փոքր մասնիկներից, որոնք են դրական լիցքավորված պրոտոնները, բացասական լիցքավորված էլեկտրոնները և չեզոք նեյտրոնները։ Երբ այս լիցքավորված մասնիկները հոսում են, այդ հոսքն անվանում են էլեկտրական հոսանք, առանց որի չէին աշխատի ո՛չ էլեկտրական թեյնիկը, ո՛չ արդուկը, ո՛չ էլ հեռախոսը։ Իսկ այս և նման այլ սարքերում հոսանքի կառավարումը կատարվում է կիսահաղորդիչների միջոցով։

Երևի արդեն կռահեցիք, որ կա գիտության առանձին ուղղություն, որը զբաղվում է այս հարցերով։ Դե, իհարկե, խոսքը ֆիզիկայի ուղղություններից մեկի մասին է, որը կոչվում է կիսահաղորդիչների ֆիզիկա։

Հայկ Զաքարյանը

Տարիներ առաջ, երբ այժմ ֆիզմաթ գիտությունների թեկնածու Հայկ Զաքարյանը ծանոթներին պատմում էր, որ ընդունվել է ռադիոֆիզիկայի ֆակուլտետ՝ ընտրելով կիսահաղորդիչների ֆիզիկայի և միկրոէլեկտրոնիկայի ուղղությունը, առաջին հարցը սա էր լինում՝ որտեղ ես ընդունվե՞լ։ Դե, մարդկանց այնքան էլ լավ հայտնի չէ, թե ինչ են այդ կիսահաղորդիչները։

Ի՞նչ են կիսահաղորդիչները

Հայկ Զաքարյանն ասում է, որ նյութերը բաժանվում են տարբեր խմբերի՝ ըստ իրենց հատկությունների, օրինակ՝ պինդ, հեղուկ, գազային։ Նույն կերպ էլ նյութերը տարբերվում են՝ ըստ այն հատկության, թե որքան լավ են էլեկտրական հոսանք հաղորդում։ Ըստ այդմ՝ լինում են հաղորդիչներ, մեկուսիչներ և կիսահաղորդիչներ։ Հաղորդիչներ են մետաղները․ մետաղները շատ լավ են էլեկտրական հոսանք հաղորդում։ Մեկուսիչ է, օրինակ, փայտը․ փայտն էլեկտրական հոսանք չի հաղորդում։

Եվ կան նյութեր, որոնք հաղորդիչների ու մեկուսիչների մեջտեղում են՝ կիսահաղորդիչները։ Հայկն ասում է, որ կիասհաղորդիչներն այնքան լավ չեն հաղորդում, որքան հաղորդիչները, բայց այնքան լավ մեկուսիչ չեն, որքան մեկուսիչները։ 

Հայկը նշում է՝ կիսահաղորդիչների առավելությունն այն է, որ տարբեր պայմաններում կարելի է շատ հեշտ կառավարել նրանց հաղորդականությունը՝ մեծացնելով կամ փոքրացնելով այն։ 

Կիսահաղորդիչների հենց այս հատկության շնորհիվ էլ անցած դարի 40-ականներին տեղի ունեցավ էլեկտրոնիկայի բումը։ Մինչ այդ էլեկտրական սարքերը, օրինակ՝ ռադիոն, աշխատում էին, այսպես կոչված, լամպային համակարգով։ Սարքերի մեջ տեղադրվում էր համակարգ, որի մի ծայրում դրական բևեռ էր, մյուսում՝ բացասական, իսկ այդ բևեռների միջև վակուումային խողովակ էր, որտեղով անցնում էր հոսանքը։ Պարզ է, չէ՞, որ այս համակարգի պատճառով հեռուստացույցներն ու համակարգիչները շատ մեծ չափերի էին հասնում, բացի այդ՝ համակարգը կարող էր հեշտ վնասվել, կոտրվել։ 

Բայց 40-ականներից էլեկտրական հոսանքը փոխանցելու համար սկսեցին օգտագործել կիսահաղորդիչներ։ Կիսահաղորդիչներում հոսանքի կառավարումը շատ ավելի հեշտ է։ Հայկը սա համեմատում է ջրի խողովակի հետ. ինչպես ջրի խողովակի մեջտեղում է փական դրված, որի միջոցով կարելի է կառավարել ջրի հոսքը, այնպես էլ կիսահաղորդիչների առանձնահատկությունների շնորհիվ հնարավոր է հեշտ կառավարել նրանց միջով անցնող հոսանքը։

Կիսահաղորդիչներով հոսանքը կառավարելու եղանակը ևս մի առավելություն ունի․ լամպային մեծ համակարգին այժմ փոխարինում են շատ փոքր չափեր ունեցող կիսահաղորդիչները, այդ պատճառով էլ հիմա ձեր տանը հեռուստացույցներն ավելի քիչ տարածք են զբաղեցնում, իսկ համակարգիչները մի ողջ սենյակ չեն գրավում։

«Կիսահաղորդչային ֆիզիկան, կիսահաղորդչային տեխնոլոգիան ընկած է մեզ շրջապատող տեխնոլոգիայի հիմքում»,- ասում է Հայկ Զաքարյանը։ 

Ինչպե՞ս ստեղծվեց հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիան

Բացի հոսանքը փոխանցելուց և կառավարելուց՝ կիասահաղորդիչներն այլ կիրառություններ էլ ունեն։ Դրանք օգտագործվում են, օրինակ, գազային սենսորներում։ Երևանի պետական համալսարանի ռադիոֆիզիկայի ֆակուլտետում, արդեն 30 տարուց ավելի է, գործում է Կիսահաղորդչային սարքերի և նանոտեխնոլոգիայի կենտրոնը։ Կենտրոնում զբաղվում են հենց գազային սենսորներով։ Այս սենսորներում տեղադրվում են կիսահաղորդիչներ։ Երբ օդում որևէ գազ է առկա, այն սկսում է փոխազդել սենսորի կիսահաղորդչի մակերեսի հետ, և այդպես սենսորը գրանցում է այդ գազի առկայությունը։ 

Կիսահաղորդչային սարքերի և նանոտեխնոլոգիայի կենտրոնի խնդիրներից մեկն է գտնել այնպիսի կառուցվածքով կիսահաղորդիչներ, որոնք կկարողնանան գրանցել միայն մի տեսակի, օրինակ՝ որևէ թունավոր գազի առկայությունը։

Ռադիոֆիզիկայի ֆակուլտետում սովորելու տարիներին Հայկը զբաղված էր կիսահաղորդչային նյութերի հատկությունների ուսումնասիրությամբ։ Մագիստրատուրայում նա ծանոթացավ ֆիզիկայի մի քանի տեսությունների, որոնք հնարավորություն են տալիս տարբեր նյութերի, այդ թվում՝ կիսահաղորդիչների տեսական մոդելավորման հաշվարկներ կատարել, և այս ուղղությունը սկսեց հետաքրքրել նրան։ Ասպիրանտուրան ավարտելուց հետո Հայկը մասնակցեց Գիտության կոմիտեի՝ խմբերի կամ լաբորատորիայի մեկնարկի դրամաշնորհային մրցույթին ու հաղթեց։ 

Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայում

Այդպես Կիսահաղորդչային սարքերի և նանոտեխնոլոգիայի կենտրոնում ստեղծվեց Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիան։ Թիմում 5 հոգի է՝ ասպիրանտներ, գիտության թեկնածուներ և դոկտորներ։

Լաբորատորիայի թիմը

Հաշվարկային նյութագիտություն․ ոչ թե փորձեր, այլ հաշվարկներ

Հաշվարկային նյութագիտությունը միջառարկայական ուղղություն է․ հաշվարկային նյութագիտությամբ զբաղվելու համար դուք պիտի իմանաք ֆիզիկա, քիմիա, համակարգչային գիտություններ ու մաթեմատիկա։ Հիմա հասկանանք, թե ինչու։

Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայում Հայկն ու գործընկերները փորձում են հայտնաբերել նյութերի նոր կառուցվածքներ։ Նախ հասկանանք՝ ինչ են նյութերի կառուցվածքները։ Երբեմն միևնույն նյութն ունենում է տարբեր կառուցվածքներ, և դրա հետևանքով փոխվում են այդ նյութի հատկությունները։ Հայկն ասում է, որ ամենահայտնին ածխածնի օրինակն է։ Ածխածնի ատոմները մի դեպքում այնպես են դասավորվում, որ առաջանում է գրաֆիտ, մեկ այլ դեպքում այնպես են դասավորվում, որ առաջանում է ադամանդ։ Գրաֆիտն ու ադամանդը, չնայած երկուսն էլ ածխածնի ատոմներից են կազմված, տարբեր են ոչ միայն տեսքով, այլ նաև հատկություններով․ գրաֆիտը սև մետաղ է ու հաղորդիչ, ադամանդը թափանցիկ է ու մեկուսիչ։

Նկարի ձախ կողմում ադամանդ է, աջում՝ գրաֆիտ, աղբյուրը՝ petragems.com

Հայկը նշում է, որ եթե փոխվում է նյութի կառուցվածքը, ապա փոխվում են նրա գրեթե բոլոր հատկությունները։ 

Եթե վերցնենք, օրինակ, սենսորների համար ճիշտ կիսահաղորդիչներ ընտրելու հարցը, ապա գիտնականների խնդիրն է գտնել որևէ կիսահաղորդչի մի այնպիսի կառուցվածք, որն առավել արդյունավետ կլինի իրենց ուզած գազերը գրանցելու համար։

Ինչպես տեսնում եք, այս խնդիրը լուծելու համար պետք է հասկանալ նյութերի քիմիական ու ֆիզիկական հատկությունները, այսինքն՝ այստեղ անհրաժեշտ է քիմիայի ու ֆիզիկայի իմացություն։ Հայկը նշում է, որ ինքն այժմ փորձում է տարբեր կուրսերի ու դասագրքերի օգնությամբ քիմիայի գիտելիքների բացը լրացնել։ Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայի աշխատակիցներից մեկն էլ առաջին մասնագիտությամբ քիմիկոս է։ 

Հիմա հասկանանք, թե ինչու են պետք համակարգչային գիտություններն ու մաթեմատիկան։ Եթե դուք զբաղվեիք նյութագիտությամբ և ոչ հաշվարկային նյութագիտությամբ, ապա նյութերի նոր կառուցվածքներ բացահայտելու համար քիմիական փորձեր կիրականացնեիք, նյութեր կսինթեզեիք։ Հաշվարկային նյութագիտության մեթոդները մի փոքր տարբերվում են․ այստեղ գիտնականներին օգնության են հասնում համակարգիչները։

«90-ականներից հետո համակարգիչները սկսեցին հզորանալ, գիտության ավելի շատ ճյուղեր մտան։ Ե՛վ համակարգիչներն ուժեղացան, և՛ տվյալները շատացան։ Հիմա մարդիկ այնքան շատ տվյալ ունեն, որ չեն կարողանում կապ գտնել, բացատրել։ Մարդիկ սկսեցին համակարգիչն օգտագործել մեծ տվյալները մեկնաբանելու, մշակելու համար»,- ասում է Հայկը։

Նա պատմում է, որ  2006 թվականին հայազգի գիտնական Արտեմ Օհանովը մի գիտական հոդված հրապարակեց՝ առաջարկելով բյուրեղների կառուցվածքը կանխագուշակելու էվոլյուցիոն մեթոդ։ Եթե փորձենք պարզ բացատրել, ապա նրա առաջարկած ալգորիթմն աշխատում է մոտավորապես այս սկզբունքով․ եթե համակարգչային ծրագրին տալիս ես, օրինակ, ածխածնի ատոմի մասին տեղեկություններ, ծրագիրը մի քանի ժամում հաշվում է, թե քանի կառուցվածք կարող է այն ունենալ։ Ածխածնի դեպքում ծրագիրը կհաշվարկի, որ այն կարող է կազմել գրաֆիտ կամ ադամանդ։  

Ստացվում է, որ համակարգչային ծրագիրը հաշվարկներն իրականացնում է՝ օգտագործելով նյութերի արդեն իսկ հայտնի կառուցվածքների ու դրանց հատկությունների մասին տվյալները։

«Առանց այդ մեթոդի, եթե մարդկության բոլոր համակարգիչները հավաքեիր ու մարդկության կյանքի ընթացքում հաշվեիր, բոլոր հնարավոր տարբերակները չէին հերիքի, որ դու հասցնեիր հաշվել։ Այդքան շատ տարբերակներ կարող են լինել իրականում։ Դրա համար այդ ալգորիթմը, շատ լավ է, որ կարողանում է շատ արագ կանխագուշակել նոր կառուցվածքներ»,- ասում է Հայկը։

Նա նշում է, որ հաշվարկներն իրականացվում են, ինչպես էվոլյուցիան է տեղի ունեցել․ ծրագիրը պատահական սզբունքով տարբեր հատկություններով կառուցվածքները միավորում է իրար, լավ հատկություններով նոր բյուրեղ է ստանում, հետո անընդհատ ընտրում է լավ հատկություններով կառուցվածքներն ու միացնում իրար այնքան ժամանակ, մինչև ստանում է այնպիսի կառուցվածք, որն ինչ-ինչ պայմաններում կարող է կայուն լինել։ Եթե այդ կառուցվածքը կայուն է, նշանակում է, որ այն կարող է սինթեզվել ու կիրառություն գտնել։ Կարևոր է հիշել, որ համակարգչային ծրագրի հաշվարկներով տեսականորեն ապացուցվում է, որ այսինչ նյութի այսինչ կառուցվածքը կայուն է։ Իսկ այդ նյութը սինթեզելն արդեն ոչ թե հաշվարկային նյութագետների, այլ պարզապես նյութագետների գործն է։

Թե ինչ տեսք ունի նյութի կառուցվածքի մոդելը համակարգչում

Պատկերացնո՞ւմ եք, թե որքան ժամանակ անհրաժեշտ կլիներ, եթե այս հաշվարկները չիրականացվեին համակարգչային ծրագրով, և գիտնականներն իրենք հաշվեին։ Հայտնի նյութերը բազմաթիվ են, ու այդ նյութերից յուրաքանչյուրն էլ կարող է տարբեր կառուցվածքներ ունենալ։ Իսկ հաշվարկվող հազարավոր տարբերակների մեջ շատ քիչ կառուցվածքներ կարող են իրոք կայուն լինել։ Բայց երբ ունեցած տվյալների ողջ պաշարը տալիս ես համակարգչային ծրագրին, այն բոլոր հնարավոր տարբերակները հաշվարկում ու դրանցից լավագույններն ընտրում է անհամեմատ կարճ ժամանակում։ Հենց այստեղ է, որ հաշվարկային նյութագիտությամբ զբաղվողներին պետք է գալիս համակարգչային գիտությունների, մասնավորապես՝ ծրագրավորման լեզուների իմացությունը։

Հենց այս մեթոդով էլ հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայում վերջերս կարողացան անագի օքսիդի նոր կառուցվածք հայտնաբերել, որը կարող է կիրառվել գազային սենսորներում։ Անագը մետաղ է, այսինքն՝ հաղորդիչ։ Անագի օքսիդը անագի և թթվածնի միացությունն է և կիսահաղորդիչ։ Այս նյութը կարող է ունենալ տարբեր կառուցվածքներ։ Հայկի ու թիմակիցների բացահայտած կառուցվածքը Sn₂O₃-ն է։ Նրանց հետազոտությունն արդեն հրապարակվել է միջազգային հեղինակավոր ամսագրերից մեկում։ 

Sn-ը անագի քիմիական նշանն է, O-ն՝ թթվածնինը, իսկ Sn₂O₃-ը նշանակում է, որ այս կառուցվածքում անագի և թթվածնի ատոմների հարաբերակցությունը 2/3 է

Լուծել խնդիրներ, որոնք օգուտ կտան մարդկությանը

Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայում այլ խնդիրների լուծման համար ևս փորձում են նյութերի նոր կառուցվածքներ հայտնաբերել։ Այդպիսի խնդիրներից մեկն էլ մարտկոցներն են։ Հայկն ասում է, որ մարտկոցները բավականին բուռն զարգանում են, ավելի էներգատարողունակ են դառնում, իսկ նրանց չափերը փոքրանում են։ Սա նշանակում է, որ, օրինակ, ձեր հեռախոսի մարտկոցն այժմ փոքր ավելի չափեր ունի, ավելի շատ էներգիա է կուտակում իր մեջ և ավելի ուշ է լիցքավորելու կարիք ունենում, քան առաջ։ 

Սակայն, ըստ Հայկի,  ժամանակակից լիթիում իոնային մարկտոցները սահմանափակ են․ այս մարտկոցներում հնարավոր չէ ինչ-որ չափից ավելի էներգիա խտացնել։ Մեկ այլ խնդիր է այն, որ մարտկոցներում կա հեղուկ նյութ, որը որոշ իրավիճակներում կարող է բռնկվել։

Գիտնականներն այժմ ինտենսիվորեն կիսահաղորդիչների նոր կառուցվածքներ են փնտրում, որոնք կփոխարինեն այդ հեղուկ նյութին։ Սակայն Հայկը նշում է, որ հայտնի նյութերը խնդիրներ ունեն, դրա համար կիրառություն չեն գտնում։

Հենց այս խնդրի լուծմանն էլ փորձելու են հասնել Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայի գիտնականները՝ գտնելով կիսահաղորդիչների նոր կառուցվածքներ։

Հայկն ասում է, որ այս դեպքում տվյալները մի փոքր ավելի բարդ են, և նախորդ հաշվարկներում օգտագործվող ծրագիրը կիրառելու դեպքում հաշվարկները կդանդաղեն։ Այս խնդիրը գիտնականները փորձում են լուծել մեքենայական ուսուցման միջոցով։ Հայկն ու թիմակիցները վերցրել են ոչ միայն բաց շտեմարաններում նյութերի մասին առկա տվյալները, այլ նաև իրենց մյուս հաշվարկների համար օգտագործվող ծրագրի միջոցով նոր տվյալներ են գեներացնում։ Հավաքված ողջ տվյալներով նրանք մեքենայական ուսուցման մոդել կստանան, որը կարագացնի հաշվարկներն ու կօգնի գիտականներին ավելի շուտ կիսահաղորդիչների նոր կայուն կառուցվածքներ գտնել։

«Ընտրեցի մի բան, որտեղ և՛ գործընթացն է հետաքրքիր, և՛ մարդկության համար կարևոր, պետքական խնդիր է»,- ասում է Հայկը՝ խոսելով իրենց այս նոր հետազոտության մասին, որը պատրաստվում են հրապարակել։

Հաշվարկային նյութագիտության լաբորատորիայի դրամաշնորհը 3 տարով է։ Այս ընթացքում լաբորատորիայի աշխատակիցները պետք է 2 գիտական հոդված հրապարակեն բարձր վարկանիշ ունեցող ամսագրերում, իսկ հետո կկարողանան դիմել Գիտկոմի՝ հաջորդ փուլի դրամաշնորհին, որը նախատեսված է ձևավորված խմբերն ամրապնդելու համար։

Աննա Սահակյան