• Cұхбаттар
• 28 Тамыз, 2025

Ғылымдағы басты ресурс – қызығушылық пен ынта

Ғылымдағы жаңа серпін – арзан, шағын әрі тиімді сенсорлар. Бүгінде өндірістегі жарылыс қаупін, ауадағы улы газдарды, тұрмыстағы экологиялық ластануды дер кезінде анықтайтын құрылғыларға сұраныс артып отыр. Осы бағытта жас ғалымдар кеуекті кремний мен металл оксидін біріктіріп, бөлме температурасында жұмыс істейтін сезімтал әрі қолжетімді газ сенсорларын жасауды қолға алған. Арзан электроника мен наноматериалдардың синергиясы болашақтың қауіпсіздігін қамтамасыз ететін басты құралдың бірі болмақ. Бұл туралы бізге әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті Эксперименттік және теориялық физика ғылыми-зерттеу институтының директоры Бақыт Абайұлы баяндап берді.

– Сіз қазір шалаөткізгіштік наноқұрылымға негізделген газ сенсорларын жобалап жүрсіз. Бұл зерттеу бағытының қоғам үшін маңызы қандай? Кеуекті кремнийдің ерекше қасиеті сенсор технологиясында қандай жаңа мүмкіндіктерге жол ашып отыр?
– Кеуекті кремнийдің ең басты артықшылығы – оның беткі қабатының өте үлкен болуы. Бұл дегеніміз – оның ішіндегі сансыз тесікке газ молекулалары оңай кіріп, жабыса алады. Нәтижесінде материалдың электрөткізгіштігі өзгереді. Осы қасиетті пайдаланып, кеуекті кремнийден улы газдарды анықтайтын сенсорлар жасалады. Мысалы, көміртек тотығы (СО), аммиак (NH₃), этанол, метан сияқты газдар адам өміріне қауіпті. Ал кеуекті кремнийден жасалған сенсор оларды ерте анықтап, дабыл береді. Бұл технологияны өндіріс орнында, үйде газ қауіпсіздігін бақылауда, қалалық экологияны қадағалауда қолдануға болады. Кеуекті кремнийдің тағы бір артықшылығы – оның биологиялық тұрғыдан зиянсыз болуы және дәрілерді өз саңылауларында ұстап тұра алуы. Ғалымдар кеуекті кремнийді дәрілерді тасымалдаушы материал ретінде қолдануды зерттеп жүр. Мысалы, қатерлі ісікке қарсы дәріні кәдімгі таблетка түрінде бергенде ол бүкіл ағзаға тарайды да, жанама әсері көп болуы мүмкін. Ал сол дәріні кеуекті кремнийге «сіңіріп», ісік жасушасының қасына апарса, дәрі қажетті жерде ғана босайды. Бұл әдіс медицинада өте тиімді болуы мүмкін, өйткені жанама әсерді азайтып, емдеу сапасын арттырады.
Кеуекті кремний жарықпен ерекше әрекет­теседі. Ол кейде көзге түрлі түстер болып та көрінеді. Бұл қасиеті жарық шығаратын құрылғыларды (мысалы, жарық диодтары, сенсорлар, дисплейлер) жасауға қолданылады.
Яғни болашақта смартфондар мен теледидарлардың дисплейін жақсарту, тіпті жаңа типті жарық көздерін жасау үшін кеуекті кремнийдің оптикалық қасиетін қолдануға болады. Күн энергиясы – болашақтың жарқын бағыты. Ал қазіргі күн батареялары қымбат әрі тиімділігі шектеулі. Кеуекті кремнийдің үлкен беткі қабаты күн сәулесін көбірек «ұстай» алады, сол арқылы күн батареяларының қуатын арттыруға мүмкіндік береді.
Демек, болашақта кеуекті кремний негізінде жасалған арзан әрі тиімді күн панельдері жарықты көбірек сіңіріп, электр энергиясына айналдыра алады. Бұл энергетика саласында үлкен төңкеріс әкелуі мүмкін. Менің қазіргі таңда айналысып жүрген ғылыми бағытым – өндіріс пен тұрмыста жарылыс қаупінің, қоршаған ортаның ластануының, адам азғасының улану қаупін алдын алу үшін қолданылатын шалаөткізгіштік наноқұрылымға негізделген бөлме температурасында сезімталдығы жоғары, селективті, арзан газ сенсорларын жобалау мәселесі. Кремний – күнделікті техникада көп қолданылатын шалаөткізгіш материал, ол – қазір бәріміз ұстап жүрген ұялы телефон, компьютер, теледидар сияқты электрондық құрылғылардың негізі. Егер сол қатты кремнийді саңылауы бар ұяшықты құрылымға айналдырсақ, онда ол кеуекті кремний болады. Яғни ішінде көзге көрінбейтін өте ұсақ қуыстар (микро және нанотесіктер) болады. Бұл саңылаулардың арқасында оның беткі ауданы жүздеген есе үлкейеді. Ал шалаөткізгіш материалдар – токты жақсы өткізетін өткізгіштер (металдар) және токты мүлде өткізбейтін оқшаулағыштар арасындағы қатты денелер. Олар сыртқы әсерге байланысты токты бірде өткізеді, бірде өткізбейді.
– Кеуекті кремний мен мыс оксидін біріктіріп алу әдісін сенсор технологиясында қалай қолдануға болады?
– Бұл патенттің басты жаңалығы – біз жасаған сенсор бөлме температурасында-ақ жұмыс істейді және қауіпті газдарды арзан әрі сенімді түрде анықтай алады. Оның негізі – кеуекті кремний. Бұл материалдың ішкі бетінде сансыз көп ұсақ қуыс бар, сондықтан газ молекулалары оған оңай жабысады. Осы арқылы сенсор газды тез әрі дәл анықтайды. Қазір өндірісте қолданылатын газ сенсорлары көбіне металл оксидіне негізделген. Бірақ олардың кемшілігі бар: жұмыс істеуі үшін жоғары температура қажет, кейбір газға дұрыс әсер етпейді және заманауи кремнийлік электроникамен толық үйлесе бермейді. Ал біз кеуекті кремний мен мыс оксидін біріктіріп, олардың артықшылығын тоғыстырдық. Кеуекті кремний газды «жақсы ұстаса», мыс оксиді (p-типті шалаөткізгіш) газбен әрекеттескен кезде электрөткізгіштігін өзгертеді. Осылайша, сенсор сигнал береді. Тәжірибелеріміз мұндай біріктіру сенсордың сезімталдығын күшейтіп, әртүрлі газ түрлерін ажыратуға мүмкіндік беретінін көрсетті.
– Мұндай материалдар газ сенсорларының сезімталдығын арттыра ала ма?
– Иә. Кеуекті кремнийдің беткі ауданы мен оның белсенді нүктелері неғұрлым көп болса, соғұрлым газ молекулалары оған көбірек жабысады. Бұл сенсордың жұмысын айтарлықтай күшейтеді: газға жылдам жауап береді және сезімталдығы артады. Яғни ол газдың аз ғана мөлшерін де тез байқап қояды. Ал енді «аннеалинг» дегеніміз – материалды белгілі бір температурада қыздыру, яғни күйдіру үдерісі. Мұндай қыздырудың да өзіндік рөлі бар: температура жоғарылаған сайын материалдың ішкі құрылымы біртіндеп реттеледі, кристалдық пішінге көшеді. Егер температура тым төмен болса, материалдың құрылымы ретсіз – «аморфты» күйде қалады. Ал қыздыру жоғарылаған сайын кристалдық тор түзіліп, құрылым жетіледі. Бұл өзгерістер сенсордың электрлік қасиеттеріне де әсер етеді: оның өткізгіштігі жақсарып, газға деген сезімталдығы артады.
– «Arduino» атты құ­рал негізінде алынған өлшеу деректерін нано­материалдардың өткіз­гіштігін зерттеуге бейім­деуге бола ма?
– Әрине, болады. «Arduino» сияқты шағын құрылғылар арқылы материалдардың электрлік қасиетін оңай бақылауға мүмкіндік бар. Мысалы, ол қарапайым вольт-амперлік сипаттамаларды тіркеп, уақыт өте өткізгіштіктің қалай өзгеретінін көрсетіп бере алады. Бұл әдіс әсіресе студенттік зертханалық жұмыстар мен шағын ғылыми жобалар үшін өте ыңғайлы. Әрине, мұндай құрылғылардың дәлдігі аса жоғары емес. Бірақ салыстырмалы өзгерістерді көрсету тұрғысынан жеткілікті сенімді. Егер аса жоғары сезімталдық қажет болса, онда арнайы зертханалық кәсіби құралдарды қолданамыз. Ал жалпы сипаттамаларды зерттеу үшін «Arduino» жеткілікті. Студенттер үшін Arduino-ға негізделген жүйелердің тағы бір үлкен артықшылығы бар: ол арзан, қолжетімді және жинау оңай. Сонымен қатар бұл құрылғы арқылы студент бір уақытта бірнеше саланы меңгере алады – бағдарламалау, электроника және материалтану. Мұндай тәжірибелер олардың ғылыми ойлау қабілетін дамытып, шығармашылыққа жол ашады.
– «PS» газ сенсорын пайдаланып, қандай газдарды анықтауға болады?
– Көптеген ғылыми зерттеуде кеуекті кремний газ сенсоры ретінде сыналған. Ол метан, этанол, аммиак, толуол, хлороформ, азот оксиді сияқты түрлі улы әрі зиянды газды анықтай алатыны дәлелденген. Бұл – оның мүмкіндігінің кең екенін көрсетеді. Алайда жалғыз кеуекті кремнийге негізделген сенсорды кеңінен қолданысқа енгізуге бір кедергі бар. Ол – тұрақсыздық. Уақыт өте келе кеуекті кремнийдің беткі қабаты бастапқы қасиетін жоғалтып, сенсордың сезімталдығы төмендейді. Нәтижесінде ол газды дәл анықтай алмай қалады. Сондықтан кеуекті кремнийді ұзақ мерзімге сенімді ету үшін оның бетін арнайы әдістермен өңдеп, «модификациялау» қажет. Бұл – оның артықшылықтарын сақтап қана қоймай, ұзақ уақыт бойы тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Мұны қарапайым мысалмен түсіндіруге болады: кәдімгі темірді алып қараңыз. Егер оны өңдемесеңіз, уақыт өте келе тот басып, сапасы төмендейді. Бірақ бояп немесе қорғау қабатын жағып қойсаңыз, ұзаққа шыдайды. Сол сияқты, кеуекті кремнийдің де қасиетін жоғалтпау үшін оны қорғау керек. Сондай-ақ резистор мәні сенсор элементінің кедергісіне сәйкес болуы керек. Тым үлкен болса, сигнал әлсірейді, тым кішкентай болса, шудың үлесі артады. Оптималды мән тәжірибелік жолмен анықталады.
– Газ сенсорын наноматериалдармен (мысалы, CuO/porous Si) интеграциялау арқылы сезімталдықты күшейтуге бола ма?
– Иә, бұл әдіс кең қолданылады. CuO және кеуекті кремнийдің синергиясы газ молекулаларына жоғары жауап береді, яғни сигнал күшейеді. Сондай-ақ ZnO, SnO2, WO3 сияқты оксидтік шалаөткізгіштермен гетероқұрылым жасау арқылы алынған сенсорлар да зерттеліп, жақсы нәтижелер көрсеткен. 
– Қазіргі ғылымда «үлкен қондырғысыз зерттеу» тренді бар. Осы үш жобаны қарасақ, аз құралмен де құнды ғылыми нәтиже алуға болатынын көруге болады. Сіз бұған келісесіз бе?
– Бүгінгі ғылымның басты артықшылығы – қымбат қондырғыға тәуелді болмай-ақ, үлкен нәтижеге қол жеткізу мүмкіндігі. Мәселен, наноматериалдарды сезімтал элемент ретінде, ал арзан электрониканы («Arduino», микроконтроллер) деректерді өңдеуші блок ретінде біріктірсеңіз, шағын әрі қолжетімді сенсор жасауға жол ашылады. Негізгі идея қарапайым: ғылыми жетістікке жету үшін міндетті түрде миллиондаған қаржы қажет емес. Ең маңыздысы – дұрыс әдістеме таңдау, наноматериалдардың ерекше қасиеттерін тиімді пайдалану және қолжетімді электрониканы орнымен қолдану. Мен өз тәжірибемде осыны анық сезіндім. Әрине, жас ғалым үшін тәжірибелі ғылыми жетекшінің орны ерекше. Менің ғылыми жолымда да үлкен қолдау көрсеткен ұстаздарым болды. Солардың бірі – Марғұлан Қасенұлы, екіншісі – Зейнулла Жанабаев. Зейнулла ағайдың бір сөзі әлі есімде: «Физика – ғалымдардың кешкі алтыдан кейін сүйсініп айналысатын жұмысы». Осы әзілде үлкен шындық жатыр: қымбат құрал болмаса да, нағыз нәтиже – зерттеушінің ынтасы, қызығушылығы және дұрыс әдіс таңдауы арқылы келеді. Қазір ғылымда жаңа бір дәуір басталды. «Smart sensor», «IoT» құрылғылар – бәрі наноматериал, электроника және микроконтроллердің үйлесуінен туып отыр. Осы үштіктің синергиясында болашақ технологиясының негізі жатыр
– Осындай наноматериалдар мен электрондық жүйелерге негізделген сенсорлар қоғамға қандай нақты пайда әкеледі. Мысалы, адамның денсаулығын қорғау, ауа сапасын бақылау, тұрмыста қауіпсіздікті арттыру тұрғысынан?
– Осындай сенсорлардың қоғамға берері өте мол. Ең алдымен, олар ауадағы улы газдарды анықтап, ерте ескерту жасай алады. Бұл – адамның өмірін сақтап қалудың ең сенімді жолы. Мәселен, үйде газдың аз ғана ағуының өзі үлкен апатқа әкелуі мүмкін. Ал сенсор дер кезінде белгі берсе, ол қауіпті жағдайдың алдын алып, бүкіл отбасының өмірін аман сақтап қалады.
Өндіріс орындарында да осындай құрылғылардың орны ерекше. Жұмысшылардың қауіпсіздігі үшін ауа сапасын бақылап, қауіпті газдардың концентрациясы артқанын бірден көрсетеді. Бұл – апаттың алдын алу ғана емес, жұмыс­шылардың денсаулығын қорғау, өндірістегі еңбек жағдайын жақсарту деген сөз.
Қалалық деңгейде қолданғанда, сенсорлар экологияны бақылаудың сенімді құралы бола алады. Олар ауаның ластануын, зиянды газдардың мөлшерін анықтап, тұрғындарға нақты ақпарат береді. Бұл деректер арқылы әкімдіктер мен экологтер дер кезінде шара қабылдап, қала халқының денсаулығын қорғауға мүмкіндік алады.
Кәдімгі тұрмыста да пайдасы орасан. Сенсорды үйге орнатқан адам газдың ағуын, ауаның сапасының төмендеуін немесе улы заттардың пайда болуын алдын ала біліп, қауіпсіздігін қамтамасыз ете алады. Бұл – қарапайым отбасының тыныштығы мен денсаулығына жасалған үлкен қамқорлық.
Яғни газ сенсорлары – тек ғылым жетістігі ғана емес, күнделікті өміріміздің ажырамас қауіпсіздік қалқаны. Олар тұрмыста қауіпсіздікті арттырып, ең бастысы, апаттың алдын алуға көмектеседі.
– Әңгімеңізге рақмет!

Сұқбаттасқан 
Бағдат СҰЛТАНҚЫЗЫ