Materiálový vědec Nguyen Duc Hoa: „Nanomateriály jsou tak zajímavé!“

Byl jste někdy jako aplikovaný fyzik „fascinován“ romantikou a filozofií teoretické fyziky? - Praktičnost a proveditelnost teorie jsou velmi důležité, protože teorie může otevřít nové perspektivy fyzikálních jevů a vést k novým technologiím, o kterých se dosud neuvažovalo. Abstraktní koncepty mohou vést k praktickým aplikacím v nanotechnologiích, nových materiálech, medicíně a kvantové informaci... Romantika a filozofie teoretické fyziky proto nejen přitahují, ale také doplňují praktičnost aplikované fyziky a vytvářejí vzrušující cestu plnou objevů a kreativity. Kombinace teoretické a experimentální fyziky přinese fyzikům komplexní a bohaté zkušenosti. Vždy mě zajímaly a motivovaly teoretické problémy ve fyzice. Proto v našich nedávných studiích probíhá spolupráce mezi experimentátory a teoretickými a výpočetními výzkumníky. Teorie slibuje úplné pochopení základních principů a zároveň poskytuje komplexní základ, ze kterého lze otevřít nové perspektivy fyzikálních jevů.

Prof. Dr. Nguyen Duc Hoa (vlevo) se svým inspirativním učitelem - Prof. Dr. Lidovým učitelem Nguyen Duc Chienem

Pane profesore, mohl byste srozumitelně vysvětlit jedno z hlavních témat vašeho výzkumu: proč mají nanomateriály tolik překvapivých vlastností? - Nanomateriály fungují na atomové a molekulární úrovni, kde již neplatí fyzikální zákony běžně se vyskytující u velkých velikostí, včetně efektů velikosti v nanoměřítku, rozdílů v poměru povrchu k objemu, kvantových efektů a silných interakcí mezi atomy v nanoměřítku. To vytváří nové fyzikální, chemické a biologické vlastnosti a otevírá širokou škálu potenciálních aplikací. To je zajímavé na nanomateriálech v mnoha oblastech, jako je medicína, elektronika, energetika... Zvláštním příkladem je prvek zlato (symbol Au): ve velkých velikostech je žluté a nerozpustné ve vodě; ale při rozkladu na nanočástice může mít červenou, modrou nebo jinou barvu v závislosti na velikosti částic. Kvantové tečky jsou polovodičové nanočástice se speciálními optickými vlastnostmi: při excitaci emitují světlo, jehož barva závisí na velikosti částic. Kvantové tečky se používají v televizních obrazovkách (QLED), LED světlech a lékařských aplikacích, jako jsou zobrazovací fluorescenční markery pro diagnostiku onemocnění.

Se studenty z Hanojské národní pedagogické univerzity

Co jsou 1D a 2D materiály? Nejsou materiály, které vidíme, 3D? - Svět, který vnímáme, je 3D prostorový svět. Když je jeden rozměr mnohem větší než ostatní dva rozměry, lze objekt považovat za 1-rozměrný - tj. za 1D materiál; nebo když jsou dva rozměry mnohem větší než ten druhý, objekt je téměř 2-rozměrný - tj. 2D. V nanoměřítku mají 1D a 2D materiály mnoho jedinečných vlastností, protože jejich atomová struktura je omezena na 1 nebo 2 rozměry. 1D materiál, jako jsou uhlíkové nanotrubice (duté válcové trubice o průměru <100 nanometrů a délce až několik mikrometrů nebo více), má extrémně vysokou parciální pevnost v tahu a dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Nanodrát (s průměrem < 100 nm a velmi velkým poměrem délky k průměru, může být vyroben z mnoha různých materiálů, jako jsou kovy, polovodiče a oxidy kovů... lze použít v senzorech nebo elektronických součástkách. 2D materiál, jako je grafen (s vrstvou atomů uhlíku uspořádaných do voštinové sítě), má velmi silné mechanické vlastnosti, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost a je základem pro mnoho studií a aplikací v elektronice, energetice a transparentních elektrodách... Díky nanotechnologiím se 1D a 2D materiály stále více rozvíjejí a mají rozmanité uplatnění, přispívají k rozšíření lidského chápání fyzického světa a slibují průlomový technologický pokrok v budoucnosti.

S kolegy z ITIMS

Je pravda, že čím menší jsou částice materiálů, tím více překvapení a potenciálních aplikací existuje? Pokud částice rozdělíme až na samý konec, co nám zbude? - Tato otázka je velmi zajímavá a pomáhá objasnit některé základní principy materiálové vědy a nanotechnologie. Když skutečně rozdělíme materiálové částice na nano velikosti, objeví se mnoho nových a překvapivých vlastností. Jak budeme pokračovat v dělení částic, přiblížíme se k nejzákladnější úrovni hmoty, tj. k atomům a subatomárním částicím, jako jsou protony, neutrony, kvarky, leptony a bosony - které jsou v současnosti nejmenšími základními jednotkami materiálů. V budoucnu je však možné, že budou nalezeny nebo předpovězena existence fundamentálnějších částic. To je hnací síla pro materiálové vědce, protože věda nemá konce. To jsou také oblasti romantiky, fantazie a filozofie v teoretické fyzice.

Od starověku lidé objevují nanočástice v mnoha artefaktech. Co dělá nanomateriály tak důležitými pro moderní společnost? - Nanomateriály se pro dnešní společnost staly nesmírně důležitými nejen kvůli své malé velikosti, ale především kvůli svým jedinečným vlastnostem a široké škále potenciálních aplikací. Ačkoli nanočástice existují již od starověku (např. Lykurgův pohár bude mít při pohledu v odraženém nebo procházejícím světle různé barvy), jejich porozumění a kontrola v posledních desetiletích výrazně pokročily, což otevřelo mnoho nových a průlomových aplikací v mnoha oblastech. Klíčem je tedy schopnost vyrábět a kontrolovat nanomateriály. Nanotechnologie nejen otevírá nový potenciál pro současné aplikace, ale také vytváří průlomové příležitosti v budoucnosti a pozitivně přispívá ke globálnímu ekonomickému a sociálnímu rozvoji.

S kolegy z ITIMS v Ba Vi

A co supravodivé materiály a jejich aplikace? - Supravodivé materiály jsou jednoduše řečeno materiály, které po průchodu elektrického proudu vydrží věčně, aniž by se snížila nebo ztratila energie. Supravodivé materiály mají mnoho různých aplikací v oblastech, jako je medicína , přenos energie, magnetické levitační vlaky, urychlovače částic atd. V současné době je nejoblíbenějším zařízením využívajícím supravodivé materiály přístroje pro magnetickou rezonanci (MRI), které využívají supravodivé magnety k vytvoření silného magnetického pole potřebného pro detailní zobrazování uvnitř těla. Díky supravodivým materiálům fungují přístroje MRI efektivněji a poskytují kvalitnější snímky. Čína nedávno úspěšně otestovala vlak jezdící na magnetické levitaci supravodivých cívek ve vakuové trubici a dosáhl rychlosti až 623 km/h (konstrukční rychlost může dosáhnout 1 000 km/h). Snad největší výzvou, která v současnosti brání komercializaci a širokému využití supravodivých materiálů, je velmi nízká provozní teplota. Supravodivost vyžaduje použití složitých a drahých chladicích systémů, jako je například kapalné hélium (-269 °C) nebo kapalný dusík (-196 °C) k udržení nízkých teplot. Mezi další výzvy patří vysoké výrobní náklady, nízká mechanická odolnost, složité výrobní techniky, schopnost udržovat supravodivý stav v silných magnetických polích nebo požadavek na supravodivý stav za vysokého tlaku.

Rozhovor s kolegy v laboratoři

Jaké jsou nové poznatky ve výzkumu profesora v oblasti aplikace nanomateriálů? - Po zhruba 10 letech základního výzkumu, s určitými úspěchy v oblasti nanomateriálů a senzorů, se naše skupina rozhodla zkoumat integrované nanomateriály pro aplikace v IoT (internet věcí) pro analýzu dechu k diagnostice nemocí. Jedná se o skutečně vývojový krok a jasně demonstruje interdisciplinárního ducha v moderním vědeckém výzkumu. Kombinace nanomateriálů, elektronických součástek a IoT nejen otevírá nové možnosti pro diagnostiku onemocnění, ale také přispívá k rozvoji pokročilých lékařských technologií nebo mnoha aplikací v různých oblastech, jako je průmysl, životní prostředí, bezpečnost... Naše myšlenka vznikla v roce 2009, když jsme se odvolávali na výzkumnou práci v časopise Nature Nanotechnology vedenou Hosamem Haickem (Izrael), která publikovala výsledky „Diagnostika rakoviny plic prostřednictvím dechu s využitím nanočástic zlata“. Výzkum této skupiny ukazuje, že porovnáním výsledků analýzy dechu zdravých lidí a pacientů s rakovinou plic je možné identifikovat pacienty s rakovinou plic.

Promluvte si s odborníkem na akci

Náš následný výzkum vedl k vytvoření polovodičového plynového senzoru s využitím nanomateriálů, který dokáže poskytnout lepší odezvu, nižší limity detekce koncentrace plynu než nanozlato a lze jej kompletně rozvinout pro použití v analýze dechu pro screening a diagnostiku onemocnění. Toto je směr aplikovaného výzkumu v projektu financovaném nadací Vingroup Innovation Foundation (VinIF) v roce 2019. Jednou z motivací, proč s jistotou navrhnout VinIF tento náročný projekt, je povaha nadace „riskování“. Díky tomuto progresivnímu mechanismu jsme namísto navrhování bezpečného směru výzkumu s jistým produktem odhodláni k průlomovému tématu, a to i přes potenciálně vysoké riziko. Principem tohoto výzkumu je, že když lidé trpí určitými nemocemi, jako je rakovina plic, astma, cukrovka atd., ovlivní to metabolismus těla, čímž se v pacientově dechu vytvoří charakteristické plyny (biologické markery) s různými koncentracemi. Tyto biologické markery se budou měnit odlišně pro každý typ onemocnění. Plynové senzory jsou navrženy tak, aby identifikovaly a analyzovaly biologické markery, což pomáhá včas odhalit onemocnění bez invazivních metod, jako je biopsie. Vlna mikročipů a polovodičových čipů je stále žhavější. Jakým směrem bychom podle profesora měli tuto vlnu využít? - Ano, toto téma je velmi žhavé a je centrem mnoha výzkumů, vývoje a aplikací moderních technologií. Růst a pokrok v této oblasti nejen podporuje rozvoj informačních a komunikačních technologií, ale má také hluboký dopad na mnoho dalších odvětví. Abych byl upřímný, náš tým pro polovodiče a mikročipy je stále příliš malý a má omezené odborné znalosti. Navíc dnes ve Vietnamu nemáme dostatečně silné výzkumné centrum pro polovodiče a také postrádáme ekosystém polovodičů. Podle mého názoru by Vietnam měl využít vlnu rozvoje technologií polovodičů a mikročipů tím, že se zaměří na specializované oblasti s konkurenceschopným potenciálem, bude investovat do výzkumu a vývoje a vzdělávání lidských zdrojů, vybuduje technologický ekosystém a podpoří průmyslová odvětví a bude aplikovat technologie v klíčových odvětvích. Tyto strategie pomohou Vietnamu udržitelně se rozvíjet a efektivně konkurovat v rychle se měnícím globálním technologickém kontextu. Děkuji, pane profesore!

Thanhnien.vn

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