დოპირებული ზეგამტარი მასალის სინთეზი და მის საფუძველზე ზეგამტარი სადენების ლაბორატორიული ნიმუშების დამზადება და ტესტირება

კიბერნეტიკის ინსტიტუტის ზეგამტარობის ჯგუფი (აწ უკვე ენერგოეფექტური ტექნოლოგიების ლაბორატორიის წევრები, ხელმძღვანელი ფმმკ ნ. მარგიანი) ამ მიმართულების კვლევაში დაეყრდნო მრავალი წლის განმავლობაში YBaCuO და BiSrCaCuO მტზ სისტემების შესწავლაში მიღებულ გამოცდილებას. Bi(Pb)-2223 სისტემა ჩვენ მიერ მრავალგზის იქნა გამოცდილი ბორის შემცველი დანამატებითა და დოპანტებით; და როგორც წლიურ ანგარიშებში, სტატიებში, კონფერენციების მასალებსა და პატენტებში წარმოდგენილი მასალები ადასტურებს, მივაღწიეთ მტზ ფაზწარმოქმნის მაღალ (94 %–მდე) მაჩვენებელს, კრიტიკული დენის მნიშვნელოვან ზრდას, რაც უმთავრესია მაღალტემპერატურული ზეგამტარების პრაქტიკული გამოყენების თვალსაზრისით.

ბორის დოპანტებით დოპირებული მტზ მასალის სინთეზის პირობების სრულყოფილად დადგენის შემდეგ საჭირო გახდა მათი ტესტირება PIT (Powder in Tube) ტექნოლოგიით დამზადებულ ვერცხლისგარსიან სადენში. ამ თემას, გარდა პროგრამული კვლევებისა, დაეთმო რუსთაველის ფონდის მიერ დაფინანსებული საპროექტო სამუშაოები (DI-18-479). წარმატებით განხორციელდა Sr(BO2)2–ით და Pb(BO2)2–ით დოპირებული Bi(Pb)-2223 ზეგამტარი მასალის სინთეზი ვერცხლის გარსში. ასეთი ტიპის ექსპერიმენტი მეტად პრობლემურია. სინთეზი უნდა ჩატარდეს ექსტრემალურ პირობებში — ვერცხლის გარსის შიგნით, სადაც მოკლებული ვართ საშუალებას პირობების კონტროლისა; გარდა ამისა, მეტად პრობლემურია ის გაზომვები, რამაც უნდა დაადასტუროს პილოტური სადენის ლაბორატორიული მოდელის წარმატებული ეგზემპლარის შექმნა. მიუხედავად შუალედური სიძნელეებისა და რამდენიმე წარუმატებელი ცდისა, მაინც მოხერხდა ამგვარი ნიმუშის შემუშავება, რომელმაც, სტანდარტულ ეგზემპლართან (დოპირების გარეშე) შედარებით გამოავლინა მაღალტემპერატურული ზეგამტარი ფაზის შემცველობის გაუმჯობესებული მაჩვენებელი. სურათზე წარმოდგენილია ნიმუშის სახით სტრონციუმის ბორატით დოპირებული სადენების ლაბორატორიული ეგზემპლარები.

რომ შევაჯამოთ, საანგარიშო წლების სამუშაო, რომელიც მოიცავდა ზეგამტარი მასალის სინთეზს შერჩეული დოპანტების საფუძველზე, და შემდეგ მათი ელექტროფიზიკური პარამეტრების გაზომვას სადენებისთვის საუკეთესო მასალის შერჩევის მიზნით და შემდეგ თავად სადენების დამზადება, თამამად შეიძლება ჩაითვალოს წარმატებულად. ამ პერიოდში მაღალტემპერატურული ზეგამტარობის თემატიკით ჯგუფმა მიიღო 1 პატენტი, გამოაქვეყნა 10 სტატია (აქედან 7 — რეიტინგულ და იმპაქტფაქტორიან ჟურნალებში), მიიღო მონაწილეობა 6 საერთაშორისო კონფერენციაში, გაიმარჯვა 3 საგრანტო პროექტში.

იმ გამოცდილების ბაზაზე, რაც ჯგუფს დაუგროვდა ზეგამტარობაში 2018 წლამდე, ფმმკ ნ. მარგიანის ლაბორატორიაში საფუძველი ჩაეყარა კვლევის ახალ მიმართულებას — კობალტიტური თერმოელექტრული მასალების შესწავლას. ეს მასალები წარმოადგენს ფენოვანი სტრუქტურის მქონე შენაერთებს, რითაც ვლინდება მათი მსგავსება მტზ მასალებისადმი. პლუს ამას, განზრახულ იქნა ბორის შემცველი დოპანტებით დოპირება, რამაც ასე კარგად გამოავლინა თავი ბისმუტის ფუძიან მტზ-ებში. როგორც ცნობილია, თერმოელექტრული მასალისთვის გადამწყვეტ პარამეტრს წარმოადგენს ვარგისობის მაჩვენებელი (ZT), რომელიც, თავის მხრივ, გამოითვლება ზეებეკის კოეფიციენტის, ელექტროგამტარობისა და თბოგამტარობის კოეფიციენტის მეშვეობით. სირთულე მდგომარეობს იმაში, რომ მასალას უნდა გააჩნდეს რაც შეიძლება დიდი ელექტროგამტარობა და რაც შეიძლება მცირე თბოგამტარობა. გარდა ამისა, პრაქტიკული გამოყენების თვალსაზრისით საჭიროა ერთნაირი წარმატების მქონე სამუშაოს ჩატარება როგორც p-ტიპის, ასევე n-ტიპის თერმოელექტრიკზე, რათა მოხერხდეს მათ ბაზაზე თერმოელექტროგენერატორის (TEG) თუნდაც ლაბორატორიული საპილოტე ეგზემპლარის შექმნა რაც შეიძლება მაღალი ვარგისობის კოეფიციენტით. აქედან ჩანს ჯგუფის წინაშე მდგარი გამოწვევების სირთულე.პრობლემა აგრეთვე იყო შესაბამისი მატერიალურ-ტექნიკური ბაზის არსებობა. თემატიკის დასაწყისში ამ თემატიკისთვის გაგვაჩნდა ლაბორატორიაში აწყობილი კუთრი წინაღობის ტემპერატურული დამოკიდებულების საზომი ხაზი, თანამედროვე ნანოვოლტმეტრი და მოძველებული, საბჭოთა წარმოების თბოგამტარობის საზომი ხელსაწყო, რომელზეც „გადაიარა“ პირველი სამუშაოების მძიმე ტვირთმა და მისაღებმა ექსპერიმენტულმა გამოცდილებამ. შემდგომში, წლიდან წლამდე, საგრანტო პროექტების მეშვეობით (SRNSF, CARYS, ISTC) აღვიჭურვეთ თანამედროვე მულტიმეტრით, თბოგამტარობის საზომი THERMTEST ფირმის დანადგარით, მაგნიტური შემრევი ხელსაწყოთი ტემპერატურის კონტროლით (Stirrer). განსაკუთრებული აღნიშვნის ღირსია ჩვენს ჯგუფში აწყობილი ხაზი ზეებეკის კოეფიციენტის გასაზომად.ორიენტირი აღებულ იქნა 3 შენაერთის კვლევაზე — Bi-Sr-Co-O, Bi-Ca-Co-O და Ca-Co-O, მათი დოპირებით ბორის შემცველი დოპანტების ვარიაციით. გამოვიყენეთ ის დოპანტები, რომელთაც თავი იჩინეს ზეგამტარულ მასალებში — Sr(BO2)2, Pb(BO2)2 და, რაც უნდა აღინიშნოს, პრიორიტეტულად გამოვიყენეთ გრაფენის დანამატი Bi-Sr-Co-O სისტემაში, რამაც ვარგისობის ფაქტორის მნიშვნელოვანი ზრდა გამოიწვია. როგორც მაღალტემპერატურული ზეგამტარობის შემთხვევაში, ფენობრივ კობალტიტებშიც დიდი სამუშაო იყო გასაწევი სინთეზის ოპტიმალური პირობების დასადგენად, უმცირესი დეტალების გათვალისწინებით. ეს ასპექტი წარმატებით იქნა დაძლეული.გარდა მყარფაზური სინთეზის ტექნოლოგიისა, ჯგუფში წარმატებით დაიწყო ზოლ-გელ ტექნოლოგიის გამოყენება მასალათა სინთეზისას, რამაც უნდა განაპირობოს წვრილდისპერსულობა და მაღალი ჰომოგენიზაცია, შედეგად კი — თერმოელექტრული პარამეტრების გაუმჯობესებული მნიშვნელობები.განხორციელდა პირველი მცდელობა n-ტიპის თერმოელექტრიკების სინთეზისა მანგანატების ბაზაზე. აქაც მატერიალურ-ტექნიკური პრობლემები იჩენს თავს, რომლებიც, იმედია, წარმატებით დაიძლევა საგრანტო შესყიდვების (SRNSF-AR) განხორციელების გზით. საანგარიშო პერიოდებში დაგროვილ თვლად კრიტერიუმები მოცემულ თემატიკაზე ასეთია: 4 პატენტი, 4 სტატია რეიტინგულ ჟურნალებში, მონაწილეობა 3 საერთაშორისო კონფერენციაში, გამარჯვება 5 საგრანტო პროექტში (მათ შორის, ISTC-ის დაფინანსებულში).