HY RU EN

Մանե Գևորգյան

Նանոտեխնոլոգիաներն ու Ամալյա Կոստանյանի գյուտը ոլորտում

Նանոտեխնոլոգիաները կամ նանոթեքը ատոմային, մոլեկուլային և սուպրամոլեկուլային մակարդակներում նյութը մանիպուլյացիա անելու գիտությունն է: Գիտության այս ճյուղի զարգացման հետ համընթաց 2000թ.-ին US National Nanotechnology Initiative մեգանախագծի շրջանակներում ոլորտը վերափոխվեց՝ իր մեջ ընդգրկելով բազմազան գիտությունների և տեխնոլոգիաների ճյուղեր նյութի ամողջական ուսումնասիրության և մանիպուլյացիայի համար:

Հասկանալով ոլորտի զարգացման մեծ պոտենցիալը` բավականին խոշոր ներդրումներ կատարվեցին պետական և կառավարությունների միությունների կողմից: Միայն նախորդ 11 տարիների ընթացքում նանոթեքի մեջ  US67.5 միլիարդ ներդրում է կատարվել և ըստ կանխատեսումների` ոլորտը կշարունակի էքսպոնենցիալ զարգանալ։

Նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում է աշխատում Քեմբրիջի համալսարանի ասպիրանտ Ամալյա Կոստանյանը, որը վերջերս ստացել է նաև պատենտ Քեմբրիջի իր գործընկերների հետ համատեղ ոլորտում կատարած գյուտի համար։

Ամալյան ավարտել է Հայաստանի պետական ճարտարագիտական համալսարանը` որպես ինժեներ մասնագիտանալով կիսահաղորդչային և միկրոէլեկտրոնային սարքավորումների ոլորտում: Ավարտելուց հետո աշխատել է թվային միկրոչիպերի նախագծման ինժեներ «Վիրաժ Լոջիք» ընկերությունում, որը հետագայում գնել է «Սինոփսիս Հայաստան»-ը: Գիտական առաջին քայլերն արել է Նիդերլանդների Ուտրեխտի համալսարանում՝ ամառային դպրոցի շրջանակում: 2011 թվականից «Լույս» հիմնադրամի համաֆինանսավորմամբ ուսումը շարունակել է Քեմբրիջի համալսարանում՝ մասնագիտանալով նանոտեխնոլոգիաների և նանոճարտարագիտության ոլորտում։

Մագիստրոսական ծրագիրը կոչվում էր միկրո և նանոտեխնոլոգիաների ձեռնարկություն, որի շրջանակում, ըստ էության, պատրաստում են գիտնական ձեռներեցներ։ Ամալյան սովորել է նաև Քեմբրիջի Judge բիզնես դպրոցի տեխնոլոգիայի և նորարարության կառավարման բաժնում (MOTI), որի ընթացքում տեսական եզրույթների մեջ խորանալու փոխարեն, կիրառելի օրինակներով ու փորձով իրենց օգնում էին դառնալ հաջողակ գիտնական ձեռներեցներ։ Վերջինս ենթադրում էր աշխատանք նորարարական ոլորտներում ու գաղափարների ներկայացում ստարտափների և/կամ կիրառական գիտահետազոտական աշխատանքների միջոցով։ 


Ամալյան Քեմբրիջ համալսարանի Hughes Hall քոլեջում

Մագիստրատուրան ավարտելուց հետո Ամալյան հրավեր է ստանում աշխատելու Քեմբրիջի համալսարանի ֆոտոնիկայում և էլեկտրոնիկայում օգտագործվող մոլեկուլյար նյութերի կենտրոնում, որտեղ որպես ճարտարագետ՝ աշխատում է քիմիկոսների, ֆիզիկոսների, մաթեմատիկոսների և կենսաբանների հետ։ Ինչպես նշում է Ամալյան, երբ աշխատում ես նանոտեխնոլոգիաների ոլորտում, տարբեր գիտությունների միջև եղած սահմաններն արդեն դժվար է տարանջատել։ Նանոտեխնոլոգիան կիրառական գիտություններն ու տեխնոլոգիաները միավորող լայն ու բազմաշերտ ոլորտ է։ Այն, ըստ էության, ուսումնասիրում է նյութը ատոմական մակարդակով և հնարավորություն ստեղծում ինժեներական լուծումների միջոցով նախագծել նոր սերնդի սկզբունքորեն տարբեր կառուցվածքներ՝ հիմնված քվանտային մեխանիկայի վրա։ Ամալյային ոլորտը հետաքրքրել է, որովհետև այն հնարավորություն է ընձեռում աճեցնել տարբեր քիմիական նյութերից բաղկացած նանո-կառուցվածքներ ու մեկը մյուսի վրա դնելով՝ ստանալ ֆանտաստիկ ինժեներական լուծումներ։ 


Ամալյան Քեմբրիջի համալսարանի King’s college-ում հայ գործընկերների հետ

Լինելով ճարտարագետ՝ մարդ կարող է ատոմական մակարդակով նյութ նախագծել, և նախագծման ընթացքում մաթեմատիկական լուծումների և սիմուլյացիաների միջոցով հասնել նրան, որ աճեցումից հետո մարդն ինքը թելադրի այդ նանոկառուցվածքի հատկությունները։ Նանոտեխնոլոգիան, ըստ էության, ուսումնասիրում է ֆիզիկական ու քիմիական երևույթները 1-100 նանոմետր (nm) սանղդակում, որտեղ դասական ֆիզիկայի օրենքները դադարում են գործել, և գիտնականները աշխատում են քվանտային մեխանիկայի և քվանտային դիսկրետացման օրենքներով:

Ցանկացած մեզ ծանոթ և լավ ուսումնասիրված քիմիական նյութ, որը մոտենում է նանո մակարդակի, իրեն սկզբունքորեն այլ կերպ է դրսևորում։ Օրինակ՝ ինչպես նշում է Ամալյան, կարող ենք դիտարկել ոսկին, որը ազնիվ մետաղ է, քիմիապես իներտ և հաղորդիչ։ Այն էլեկտրոնիկայի մեջ օգտագործվում է բարձր ճշգրտություն պահանջող սարքերում։ Այսինքն՝ այն սարքերում, որոնք տարվում են ռազմական դաշտ կամ ուղարկվում են տիեզերք։ Եթե ոսկին փոքրացնենք ու հասցնենք նանոմասնիկների չափի, ապա այն կդառնա ռեակտիվ ու վնասակար նյութ։ Այն կարող է քիմիական տարբեր ռեակցիաների մեջ մտնել ու դառնալ վտանգավոր ինչպես մարդու, այնպես էլ շրջակա միջավայրի համար։ Կախված նանոմասնիկների մեծությունից՝ ոսկին կարող է փոխել գույնը՝ դառնալով կարմիր, կապույտ, դեղին, կանաչ կամ նույնիսկ թափանցիկ։ Ոսկու նանոմասնիկները շատ ակտիվ գիտահետազոտությունների ոլորտ են ներկայացնում:


(Ա, Բ, Գ) նանոմասնիկները լուծույթի մեջ (Ա, Բ) ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման շնորհիվ նանոմասնիկների վառ գույների ներկայացում և (Գ) նանոմասնիկների ուսումնասիրում սկանավորման էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM)  օգնությամբ

Կա նաև նանոթեքի մի ճյուղ, որն ուսումնասիրում է բնության մեջ առկա նանոկառուցվածքները և փորձում նմանատիպ ինժեներական լուծումներ առաջարկել: Morpho թիթեռների թևիկների կառուցվածը ուսումնասիրության շատ գայթակղիչ ոլորտ է, քանի որ կենդանու մահից հետո թևիկների վառ գունավորումը մնում է դարերով անփոփոխ: Թիթեռի այս վառ կապույտ գույնը պայմանավորված է նանո մակարդակում եղևնու նման 3D նանոկառուցվածքներով: Երբ տեսանելի լույսը ներթափանցում է այս կառուցվացքի մեջ, անդրադարձող լույսի մնացորդը համապատասխանում է կապույտ լույսի ալիքի երկարությանը: Այնպես որ, այս եղևնու նման նանոկառուցվածքը թիթեռի թևիկներում նանոֆիլտրի դեր է կատարում: Վերջին շրջանում մի քանի հետաքրքիր ինժեներական լուծումներ են ներկայացվել, որոնք ամողջովին ոգեշնչված և հիմնված են Morpho թիթեռներ ֆոտոնիկ կառուցվածքի վրա:


Morpho թիթեռի ուսումնասիրություն, (Ա) թիթեռի նկարը սենյակային լույսի տակ, (Բ) թիթեռի թևիկների ուսումնասիրություն՝ օպտիկական միկրոսկոպով (a-d) և սկանավորման էլեկտրոնային միկրոսկոպով (e): Այստեղ նշված 1 միկրոմետրը (1μm) համապատասխանում է 10-6 մետրի

Եթե դիտարկենք Gecko մողեսի ոտքի մաշկի մի հատված միկրոսկոպի տակ, ապա կբացահայտենք, որ միկրո և նանո մակարդակում այն կազմված է միլիոնավոր միկրոմազիկների դաշտից: Այս միկրոմազիկների դաշտի շնորհիվ մողեսի մաշկը ունի չոր գերկպչուն նյութի հատկություններ, որի շնորհիվ այս կենդանին կարողանում է շարժվել ցանկացած մակերևույթի վրայով: Հասկանալով և կարևորելով Gecko-ի մաշկի այս հատկությունը՝ գիտնականները նախագծել են նմանատիպ մակերեսի հատկություններով ռոբոտ, որը նպատակ ունեն ուղարկել Մարս մոլորակ: 


Gecko մողեսի նանոկառուցվածքների ուսումնասիրություն, (Ա) մողեսիկի նկարը, (Բ ) կենդանու ոտքերի մանր թելերի ուսումնասիրություն սկանավորման էլեկտրոնային միկրոսկոպով։ Այստեղ նշված 1 միկրոմետրը (1μm) համապատասխանում է 10-6 մետրի:

Այժմ նանոտեխնոլոգիաների գիտահետազոտություններ կատարվում են գրեթե բոլոր ոլորտներում՝ կենասաբանություն, բժշկություն, ճարտարագիտություն և այլն։

Նանոտեխնոլոգիաներն արդեն կիրառվում են հղիների համար հատուկ ջրերի արտադրության մեջ, հագուստի, կոշիկների, թենիսի գնդաթիերի, հեծանիվի անիվների, գնդակների արտադրության մեջ։ Կիրառությունը մեծ է՝ ամուր ու ավելի թեթև թավաներից մինչև նոր սերնդի ավելի բարակ մետաղով, ավելի ամուր ու վստահելի ինքնաթիռների արտադրություն։ Քեմբրիջի համալսարանի գիտնականները նույնիսկ աշխատում են նանոկառուցվածքների հիման վրա «Տիեզերքի վերելակ» ստեղծելու ուղղությամբ։ Թվում է՝ անհնարին բան է, ու այդ ծրագիրը շատ է քննադատվել, բայց միևնույն է, ինչպես Ամալյան է ասում, կա ֆինանսավորում, ու գիտնականները փորձում են համադրել նանոկառուցվածքներն ու դրանց հիման վրա մշակել պարաններ, որոնցով իրենց ստեղծած սարքը մարդկանց կկարողանա երկրից տիեզերք բարձրացնել։

Կենտրոնը, որտեղ աշխատում է Ամալյան, մասնագիտացված է հիմնականում ֆոտոնիկայի և էլեկտրոնիկայի ոլորտներում։ Ինչպես նշում է Ամալյան, իրեն հիմնականում հետաքրքրել են ածխածնային հիմքի վրա գրաֆենի և նանոխողովակների աճեցումը։ Ուսումնասիրությունների արդյունքում նախագծել են ածխածնային, պոլիմերային և օրգանական նյութերի հիման վրա բարակ, թղթի հաստությամբ, ճկվող, չկոտրվող քիչ էներգիա պահանջող, թափանցիկ էկրանի նախատիպ։ Վերջինս հնարավոր է կիրառել տարբեր ոլորտներում, որտեղ կա տվյալները վիզուալ ներկայացնելու անհրաժեշտություն։ Այն կարող է օգտագործվել խանութներում, արտադրական մեծ գործարաններում, ճարտարապետությամբ զբաղվող ընկերություններում, և բժշկության ոլորտում։ Սակայն նմանատիպ էկրանի թիրախային ոլորտ պետք է համարել բազմամիլիոնանոց հեռախոսների և պլանշետների նախագծման շուկան: 2 տարի առաջ Քեմբրիջի համալսարանի համապատասխան մարմնի՝ Cambridge Enterprise-ի միջոցով դիմել են նախագծած էկրանը պատենտավորելու համար։ Պատենտն արդեն ստացել են ու շարունակում են աշխատել տեխնոլագիան զարգացնելու և տարբեր ոլորտներում կիրառելի դարձնելու ուղղությամբ։ 


Օրգանական նյութերի հիման վրա բարակ, թղթի հաստության էկրանի նախատիպի ներկայացում։ Նկարում, ինչպես երեւում է, սարքը գրեթե թափանցիկ է։

Ամալյան նաև դասավանդում է Քեմբրիջի համալսարանում և պաշտպանությունից հետո ցանկանում է անպայման շարունակել աշխատանքն ուսանողների հետ։ Երիտասարդ գիտնականը կարևորում է այս նոր տեխնոլոգիաների մասին ավելի լայն հարթակներում խոսելը, որպեսզի նոր սերունդը գիտակցի նանոտեխնոլոգիաների դերն ու կարևորությունն ու ցանկության դեպքում մասնագիտանա այդ ոլորտում։ Ամալյան նշում է, որ պետք է կոտրել դասական գիտնականի մասին թյուր կարծրատիպերը: Ներկայիս գիտնականի առօրյան, ըստ Ամալյայի, շատ հագեցած է՝ ճամփորդություններ, աշխատանք ամենահայտնի գիտնականների հետ ամենատարբեր համալսարանների լաբորատորիաներում, անընդհատ սովորելու ու բացահայտելու հնարավորություններ։ Օգտագործելով երևակայությունդ, ակադեմիկ գիտելիքներդ ու կիրառական փորձը` համադրում ես հնարավոր ռեսուրսներով ու կապերով և ստեղծում մի բան, որը թվում էր անհնար։ Դա, Ամալյայի համոզմամբ, իսկապես շատ ոգևորիչ է։ 

Եվ վերջում, Ամալյան առաջարկում է հետաքրքիր աղբյուրներ՝ թեմայով հետաքրքրվողների համար. 

1.Pete Vukusic and J. Roy Sambles Nature 424, 852-855(14 August 2003 Dr David Snoswell, University of Cambridge 
2. http://bdml.stanford.edu/twiki/pub/Main/ClimbingAdhesionPublications/DSoto-thesis.pdf
3. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.03.007