عالم المواد نغوين دوك هوا: "المواد النانوية رائعة!"

بصفتك فيزيائيًا تطبيقيًا، هل سبق أن أسرتك رومانسية وفلسفة الفيزياء النظرية؟ - إن جدوى النظرية وإمكانية تطبيقها أمران بالغا الأهمية، لأنها قادرة على فتح آفاق جديدة لفهم الظواهر الفيزيائية، مما يؤدي إلى ابتكار تقنيات جديدة لم تكن في الحسبان من قبل. يمكن للمفاهيم المجردة أن تقود إلى تطبيقات عملية في مجالات تقنية النانو، والمواد الجديدة، والطب، والمعلومات الكمومية... لذا، فإن رومانسية وفلسفة الفيزياء النظرية لا تجذب فحسب، بل تُكمل أيضًا الجانب العملي للفيزياء التطبيقية، مما يخلق رحلة رائعة من الاكتشاف والابتكار. يوفر الجمع بين الفيزياء النظرية والتجريبية تجربة شاملة ومثرية للفيزيائيين. لطالما كنت مهتمًا بالمشكلات النظرية في الفيزياء، وقد حفزتني هذه المشكلات. ولهذا السبب، تضمن بحثنا الأخير تعاونًا بين الباحثين التجريبيين والباحثين النظريين والحسابيين. تعد النظرية بفهم كامل للمبادئ الأساسية، بالإضافة إلى توفير أساس متين يمكن من خلاله فتح آفاق جديدة لفهم الظواهر الفيزيائية.

الأستاذ الدكتور نغوين دوك هوا (يسار) مع معلمه الملهم – الأستاذ الدكتور نغوين دوك تشين

أستاذي، هل يمكنك شرح أحد مواضيع بحثك الرئيسية بأسلوب مبسط: لماذا تتمتع المواد النانوية بالعديد من الخصائص غير المتوقعة؟ تعمل المواد النانوية على المستويين الذري والجزيئي، حيث لا تنطبق القوانين الفيزيائية المعتادة المطبقة على الأحجام الأكبر، بما في ذلك تأثيرات الحجم على المستوى النانوي، والاختلافات في نسب السطح إلى الحجم، والتأثيرات الكمومية، والتفاعلات القوية بين الذرات على المستوى النانوي. هذا يخلق خصائص فيزيائية وكيميائية وبيولوجية جديدة، مما يفتح آفاقًا واسعة لتطبيقات محتملة. هذا هو سر جاذبية المواد النانوية في العديد من المجالات، من الطب والإلكترونيات إلى الطاقة... ومن الأمثلة البارزة على ذلك عنصر الذهب (رمزه Au): في الأحجام الكبيرة، يكون لونه أصفر وغير قابل للذوبان في الماء؛ ولكن عند تفتيته إلى المستوى النانوي، يمكن أن يكون لونه أحمر أو أزرق أو ألوان أخرى حسب حجم الجسيمات. النقاط الكمومية هي جسيمات نانوية شبه موصلة ذات خصائص بصرية فريدة: عند إثارتها، تُصدر ضوءًا يعتمد لونه على حجم الجسيمات. تُستخدم النقاط الكمومية في شاشات التلفزيون (QLEDs) ومصابيح LED والتطبيقات الطبية مثل التصوير الفلوري لتشخيص الأمراض.

مع زملائي في جامعة هانوي التربوية

ما هي المواد أحادية البعد وثنائية البعد؟ أليست جميع المواد التي نراها ثلاثية الأبعاد؟ - العالم الذي ندركه هو عالم مكاني ثلاثي الأبعاد. عندما يكون أحد الأبعاد أكبر بكثير من البعدين الآخرين، يُمكن اعتبار الجسم أحادي البعد - أي مادة أحادية البعد؛ أو عندما يكون بعدان أكبر بكثير من البعد الثالث، يُمكن اعتبار الجسم ثنائي البعد تقريبًا - أي مادة ثنائية البعد. على المستوى النانوي، تتمتع المواد أحادية البعد وثنائية البعد بالعديد من الخصائص الفريدة لأن بنيتها الذرية تقتصر على بُعد واحد أو بُعدين. تتميز المواد أحادية البعد، مثل أنابيب الكربون النانوية (أنابيب أسطوانية مجوفة بقطر أقل من 100 نانومتر وطول قد يصل إلى بضعة ميكرومترات أو أكثر)، بقوة شد جزئية عالية للغاية وموصلية كهربائية وحرارية جيدة. أما الأسلاك النانوية (بقطر أقل من 100 نانومتر ونسبة طول إلى قطر كبيرة جدًا، مصنوعة من مواد مختلفة مثل المعادن وأشباه الموصلات وأكاسيد المعادن) فيمكن استخدامها في أجهزة الاستشعار أو المكونات الإلكترونية. تتمتع المواد ثنائية الأبعاد، مثل الجرافين (الذي يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في شبكة سداسية)، بخصائص ميكانيكية فائقة، وموصلية كهربائية وحرارية جيدة، وتشكل أساسًا للعديد من الأبحاث والتطبيقات في مجالات الإلكترونيات والطاقة والأقطاب الكهربائية الشفافة. ومع تطور تقنية النانو، تتطور المواد أحادية وثنائية الأبعاد بشكل متزايد وتتعدد تطبيقاتها، مما يساهم في توسيع فهمنا للعالم المادي ويبشر بتحقيق تقدم تكنولوجي رائد في المستقبل.

بالتعاون مع الزملاء في معهد تكنولوجيا المعلومات والاتصالات

هل كلما تعمقنا في تحليل جزيئات المادة، كلما اكتشفنا المزيد من المفاجآت والتطبيقات المحتملة؟ ماذا يتبقى إذا حللنا الجزيئات إلى أدنى حد ممكن؟ إنه سؤال مثير للاهتمام يُساعد في توضيح بعض المبادئ الأساسية في علم المواد وتقنية النانو. في الواقع، عندما نحلل جزيئات المادة إلى المقياس النانوي، تظهر العديد من الخصائص الجديدة وغير المتوقعة. بمواصلة تحليل الجزيئات، نقترب من المستوى الأساسي للمادة، أي الذرات والجسيمات دون الذرية مثل البروتونات والنيوترونات والكواركات واللبتونات والبوزونات - وهي حاليًا أصغر الوحدات المكونة للمواد. مع ذلك، في المستقبل، قد يتم اكتشاف أو التنبؤ بوجود المزيد من الجسيمات الأساسية. هذا ما يُحفز علماء المواد، لأن العلم لا نهاية له. هذه أيضًا هي عوالم الرومانسية والخيال والفلسفة في الفيزياء النظرية.

منذ القدم، وُجدت الجسيمات النانوية في العديد من القطع الأثرية. ما الذي يجعل المواد النانوية بهذه الأهمية للمجتمع الحديث؟ تكمن أهمية المواد النانوية في المجتمع الحديث ليس فقط في صغر حجمها، بل في المقام الأول في خصائصها الفريدة وتطبيقاتها الواسعة النطاق. على الرغم من وجود الجسيمات النانوية منذ القدم (فعلى سبيل المثال، يتغير لون كأس ليكورغوس عند النظر إليه تحت الضوء المنعكس أو النافذ)، فقد شهد فهمنا لها وقدرتنا على التحكم بها تقدماً هائلاً في العقود الأخيرة، مما فتح آفاقاً واسعة لتطبيقات جديدة ورائدة في مختلف المجالات. لذا، فإن القدرة على تصنيع المواد النانوية والتحكم بها هي المفتاح. لا تقتصر فوائد تقنية النانو على فتح آفاق جديدة للتطبيقات الحالية فحسب، بل تخلق أيضاً فرصاً رائدة في المستقبل، مساهمةً بشكل إيجابي في التنمية الاقتصادية والاجتماعية العالمية.

بالتعاون مع زملاء ITIMS في با في

ماذا عن المواد فائقة التوصيل وتطبيقاتها؟ ببساطة، المادة فائقة التوصيل هي مادة تحافظ على خصائصها دون تدهور أو فقدان للطاقة عند مرور تيار كهربائي فيها. تُستخدم هذه المواد في العديد من المجالات، مثل الطب ، ونقل الطاقة، وقطارات الرفع المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات، وغيرها. يُعد جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) حاليًا أكثر الأجهزة شيوعًا التي تستخدم المواد فائقة التوصيل، حيث يعتمد على مغناطيسات فائقة التوصيل لتوليد المجال المغناطيسي القوي اللازم لتصوير دقيق للأعضاء الداخلية للجسم. وبفضل هذه المواد، تعمل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي بكفاءة أعلى وتوفر صورًا بجودة فائقة. وقد نجحت الصين مؤخرًا في اختبار قطار رفع مغناطيسي مزود بملفات فائقة التوصيل داخل أنبوب مفرغ من الهواء، محققًا سرعات تجاوزت 623 كم/ساعة (بينما تصل السرعة التصميمية إلى 1000 كم/ساعة). ولعلّ التحدي الأكبر الذي يعيق حاليًا تسويق المواد فائقة التوصيل وانتشار استخدامها على نطاق واسع هو انخفاض درجة حرارة تشغيلها. تتطلب الموصلية الفائقة استخدام أنظمة تبريد معقدة ومكلفة، مثل الهيليوم السائل (-269 درجة مئوية) أو النيتروجين السائل (-196 درجة مئوية) للحفاظ على درجات حرارة منخفضة. وتشمل التحديات الأخرى ارتفاع تكاليف الإنتاج، وضعف المتانة الميكانيكية، وتعقيد تقنيات التصنيع، والقدرة على الحفاظ على الموصلية الفائقة في المجالات المغناطيسية القوية، وضرورة وجود الموصلية الفائقة تحت ضغط عالٍ.

مناقشة الأمر مع الزملاء في المختبر.

ما هي آخر التطورات في أبحاث البروفيسور حول تطبيقات المواد النانوية؟ - بعد حوالي عشر سنوات من الأبحاث الأساسية، وتحقيق بعض الإنجازات في مجال المواد النانوية وأجهزة الاستشعار، قرر فريقنا البحث في المواد النانوية المتكاملة لتطبيقاتها في إنترنت الأشياء (IoT) لتحليل الزفير في تشخيص الأمراض. تُعد هذه خطوةً متقدمةً تُجسد بوضوح روح التخصصات المتداخلة في البحث العلمي الحديث. إن الجمع بين المواد النانوية والمكونات الإلكترونية وإنترنت الأشياء لا يفتح آفاقًا جديدةً لتشخيص الأمراض فحسب، بل يُسهم أيضًا في تطوير تقنيات طبية متقدمة، أو تطبيقات عديدة في مجالات متنوعة كالصناعة والبيئة والأمن... بدأت فكرتنا في عام ٢٠٠٩ عندما اطلعنا على ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature Nanotechnology بقلم حسام حايك (إسرائيل) حول نتائج بحث بعنوان "تشخيص سرطان الرئة من خلال الزفير باستخدام جزيئات الذهب النانوية". تشير أبحاث هذا الفريق إلى أنه من خلال مقارنة نتائج تحليل الزفير للأفراد الأصحاء ومرضى سرطان الرئة، يُمكن تحديد مرضى سرطان الرئة.

التفاعل مع الخبراء في فعالية ما.

أسفرت أبحاثنا اللاحقة عن ابتكار مستشعرات غازية شبه موصلة باستخدام مواد نانوية، تتميز باستجابة أفضل وحدود كشف أقل لتركيز الغاز مقارنةً بجزيئات الذهب النانوية، وهي قابلة للتطوير بالكامل لتطبيقات تحليل الزفير للكشف عن الأمراض وتشخيصها. هذا التوجه البحثي مُطبّق في مشروع ممول من مؤسسة فينغروب للابتكار (VinIF) عام ٢٠١٩. من أهم العوامل التي دفعتنا إلى اقتراح هذا المشروع الطموح لمؤسسة VinIF هو نهجها الجريء في خوض المخاطر. بفضل هذه الآلية التقدمية، قررنا، بدلاً من اقتراح توجه بحثي آمن بنتائج مضمونة، الخوض في موضوع رائد، حتى وإن كان ينطوي على مخاطر عالية. يقوم مبدأ هذا البحث على أن إصابة الأشخاص بأمراض معينة، مثل سرطان الرئة والربو والسكري، تؤثر على عمليات الأيض في الجسم، مما يُنتج غازات مميزة (مؤشرات حيوية) في زفير المريض بتراكيز مختلفة. وتختلف هذه المؤشرات الحيوية باختلاف نوع المرض. صُممت أجهزة استشعار الغاز لتحديد وتحليل هذه المؤشرات الحيوية، مما يساعد على الكشف المبكر عن الأمراض دون اللجوء إلى أساليب جراحية كأخذ الخزعات. وتشهد رقائق أشباه الموصلات ورقائق أشباه الموصلات ازدهارًا غير مسبوق. ويتساءل البروفيسور: في أي اتجاه ينبغي لنا الاستفادة من هذا الازدهار؟ - صحيح، هذا الموضوع بالغ الأهمية، ويُعد محورًا للعديد من الأبحاث والتطويرات والتطبيقات التكنولوجية الحديثة. ولا يقتصر نمو هذا المجال وتقدمه على تعزيز تطوير تكنولوجيا المعلومات والاتصالات فحسب، بل يمتد تأثيره ليشمل العديد من الصناعات الأخرى. لكن بصراحة، لا تزال القوى العاملة لدينا في مجال أشباه الموصلات ورقائق أشباه الموصلات صغيرة جدًا، وتفتقر إلى الخبرة الكافية. علاوة على ذلك، تفتقر فيتنام حاليًا إلى مركز أبحاث قوي في مجال أشباه الموصلات، وإلى بيئة حاضنة متكاملة لهذا القطاع. في رأيي، ينبغي على فيتنام الاستفادة من طفرة تكنولوجيا أشباه الموصلات ورقائق أشباه الموصلات من خلال التركيز على المجالات المتخصصة ذات الإمكانات التنافسية، والاستثمار في البحث والتطوير وتدريب الموارد البشرية، وبناء بيئة تكنولوجية وصناعية داعمة، وتطبيق التكنولوجيا في الصناعات الرئيسية. وستساعد هذه الاستراتيجيات فيتنام على تحقيق التنمية المستدامة والمنافسة بفعالية في ظل التغيرات التكنولوجية العالمية المتسارعة. شكراً لك يا أستاذ!

Thahnien.vn

المصدر: https://thanhnien.vn/nha-khoa-hoc-vat-lieu-nguyen-duc-hoa-vat-lieu-nano-day-thu-vi-185240531094042686.htm