Materiálový vědec Nguyen Duc Hoa: „Nanomateriály jsou fascinující!“

Uchvátila vás někdy jako aplikovaného fyzika romantika a filozofie teoretické fyziky? - Praktičnost a proveditelnost teorie jsou klíčové, protože teorie může otevřít nové perspektivy na fyzikální jevy a vést k novým technologiím, o kterých se dříve ani neuvažovalo. Abstraktní koncepty mohou vést k praktickým aplikacím v nanotechnologiích, nových materiálech, medicíně a kvantové informaci… Romantismus a filozofie teoretické fyziky proto nejen přitahují, ale také doplňují praktičnost aplikované fyziky a vytvářejí fascinující cestu plnou objevů a inovací. Kombinace teoretické a experimentální fyziky poskytuje fyzikům komplexní a obohacující zkušenost. Vždy mě zajímaly a motivovaly teoretické problémy ve fyzice. Proto náš nedávný výzkum zahrnoval spolupráci mezi experimentátory a teoretickými a výpočetními výzkumníky. Teorie slibuje úplné pochopení základních principů a zároveň poskytuje komplexní základ, z něhož lze otevřít nové perspektivy na fyzikální jevy.

Profesor Dr. Nguyen Duc Hoa (vlevo) se svým inspirativním mentorem – profesorem Dr. Nguyen Duc Chienem

Pane profesore, mohl byste jednoduše vysvětlit jedno z hlavních témat vašeho výzkumu: proč mají nanomateriály tolik neočekávaných vlastností? Nanomateriály fungují na atomové a molekulární úrovni, kde již neplatí obvyklé fyzikální zákony platné pro větší velikosti, včetně efektů velikosti v nanoměřítku, rozdílů v poměrech povrchu k objemu, kvantových efektů a silných interakcí mezi atomy v nanoměřítku. To vytváří nové fyzikální, chemické a biologické vlastnosti a otevírá obrovský potenciál uplatnění. To je přitažlivost nanomateriálů v mnoha oblastech, od medicíny a elektroniky až po energetiku… Pozoruhodným příkladem je prvek zlato (symbol Au): ve větších velikostech je žlutý a nerozpustný ve vodě; ale při rozkladu na nanoměřítko může mít červenou, modrou nebo jinou barvu v závislosti na velikosti částic. Kvantové tečky jsou polovodičové nanočástice s jedinečnými optickými vlastnostmi: při excitaci emitují světlo, jehož barva závisí na velikosti částic. Kvantové tečky se používají v televizních displejích (QLED), LED diodách a v lékařských aplikacích, jako je fluorescenční zobrazování pro diagnostiku onemocnění.

Spolu s mými spolužáky z Hanojské pedagogické univerzity

Co jsou 1D a 2D materiály? Nejsou všechny 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 jednorozměrný – tj. za 1D materiál; nebo když jsou dva rozměry mnohem větší než druhý rozměr, lze objekt považovat téměř za dvourozměrný – tj. za 2D. V nanoměřítku mají 1D a 2D materiály mnoho jedinečných vlastností, protože jejich atomová struktura je omezena na jeden nebo dva rozměry. 1D materiál, jako jsou uhlíkové nanotrubice (duté válcové trubice o průměru <100 nanometrů a délce, která může dosáhnout několika mikrometrů nebo více), má extrémně vysokou parciální pevnost v tahu a dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Nanodráty (s průměrem <100 nm a velmi velkým poměrem délky k průměru, vyrobené z různých materiálů, jako jsou kovy, polovodiče a oxidy kovů) lze použít v senzorech nebo elektronických součástkách. 2D materiál jako grafen (s tloušťkou jedné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných do voštinové mřížky) má velmi silné mechanické vlastnosti, dobrou elektrickou a tepelnou vodivost a tvoří základ pro mnoho výzkumů a aplikací v elektronice, energetice a transparentních elektrodách. Díky nanotechnologiím se 1D a 2D materiály stále více vyvíjejí a nacházejí rozmanité uplatnění, což přispívá k rozšíření lidského chápání fyzického světa a slibuje průlomový technologický pokrok v budoucnosti.

Spolu s kolegy z ITIMS

Objevuje se tím více překvapení a potenciálních aplikací, čím dále rozkládáme hmotné částice? Co zbývá, když rozložíme částice na absolutní minimum? To je fascinující otázka, která pomáhá objasnit některé základní principy materiálové vědy a nanotechnologie. Když rozkládáme hmotné částice na nanoměřítko, objevuje se mnoho nových a neočekávaných vlastností. Dalším rozkládáním částic se přibližujeme k nejzákladnější úrovni hmoty, konkrétně k atomům a subatomárním částicím, jako jsou protony, neutrony, kvarky, leptony a bosony – v současnosti nejmenší základní jednotky materiálů. V budoucnu však může být objeveno nebo předpovězena existence mnoha dalších základních částic. To je to, co motivuje materiálové vědce, protože věda nemá žádný koncový bod. To jsou také oblasti romantiky, představivosti a filozofie v teoretické fyzice.

Od starověku se nanočástice nacházejí v mnoha artefaktech. Co dělá nanomateriály tak důležitými pro moderní společnost? Nanomateriály jsou pro moderní společnost neuvěřitelně důležité nejen kvůli své malé velikosti, ale především kvůli svým jedinečným vlastnostem a širokému potenciálnímu využití. Ačkoli nanočástice existují již od starověku (například Lykurgův pohár bude mít při pohledu v odraženém nebo procházejícím světle různé barvy), naše chápání a kontrola nad nimi se v posledních desetiletích dramaticky posunuly, což otevřelo mnoho nových a průlomových aplikací v různých 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.

Spolu s kolegy z ITIMS v Ba Vi

A co supravodivé materiály a jejich aplikace? Jednoduše řečeno, supravodivý materiál je materiál, který při průchodu elektrického proudu zůstává konstantní bez degradace nebo ztráty energie. Supravodivé materiály mají mnoho různých aplikací v oblastech, jako je medicína , přenos energie, magnetické levitační vlaky, urychlovače částic atd. V současné době je nejběžnějším zařízením využívajícím supravodivé materiály přístroje pro magnetickou rezonanci (MRI), které využívají supravodivé magnety k vytvoření silného magnetického pole nezbytného pro detailní zobrazení vnitřku těla. Díky supravodivým materiálům fungují přístroje MRI efektivněji a poskytují kvalitnější snímky. Čína nedávno úspěšně otestovala magnetický levitační vlak se supravodivými cívkami ve vakuové trubici a dosáhla rychlosti přes 623 km/h (konstrukční rychlost by mohla dosáhnout 1 000 km/h). Snad největší výzvou, která v současnosti brání komercializaci a širokému využití supravodivých materiálů, je jejich velmi nízká provozní teplota. Supravodivost vyžaduje použití složitých a drahých chladicích systémů, jako je kapalné hélium (-269 °C) nebo kapalný dusík (-196 °C), k udržení nízkých teplot. Mezi další výzvy patří vysoké výrobní náklady, nízká mechanická pevnost, složitá výrobní technologie, schopnost udržet supravodivost v silných magnetických polích a požadavek na supravodivost za vysokého tlaku.

Diskuse s kolegy v laboratoři.

Jaký je nejnovější vývoj ve výzkumu profesora v oblasti aplikací nanomateriálů? - Po přibližně 10 letech základního výzkumu, s určitými úspěchy v oblasti nanomateriálů a senzorů, se naše skupina rozhodla zkoumat integrované nanomateriály pro aplikaci v IoT (internet věcí) pro analýzu dechu při diagnostice onemocnění. Toto je skutečně krok vpřed a jasně demonstruje interdisciplinárního ducha v moderním vědeckém výzkumu. Kombinace nanomateriálů, elektronických součástek a IoT nejen otevírá nový potenciál pro diagnostiku onemocnění, ale také přispívá k rozvoji pokročilých lékařských technologií nebo mnoha aplikací v různých oblastech, jako je průmysl, životní prostředí, bezpečnost… Náš nápad vznikl v roce 2009, když jsme konzultovali výzkumný článek publikovaný v Nature Nanotechnology od Hosama Haicka (Izrael) o výsledcích „Diagnostika rakoviny plic prostřednictvím dechu s využitím nanočástic zlata“. Výzkum této skupiny naznačuje, že porovnáním výsledků analýzy dechu zdravých jedinců a pacientů s rakovinou plic je možné identifikovat pacienty s rakovinou plic.

Interakce s odborníky na akci.

Náš následný výzkum vedl k vytvoření polovodičových plynových senzorů s využitím nanomateriálů, které nabízejí lepší odezvu a nižší limity detekce koncentrace plynu ve srovnání se zlatými nanočásticemi a jsou plně vhodné pro vývoj pro aplikace v analýze dechu pro screening a diagnostiku onemocnění. Tento směr výzkumu byl aplikován v projektu financovaném Nadací Vingroup Innovation Foundation (VinIF) v roce 2019. Jednou z hnacích sil naší sebedůvěry při předkládání tohoto náročného projektu Nadaci VinIF je přístup Nadace zaměřený na „riskování“. Díky tomuto progresivnímu mechanismu jsme se místo navržení bezpečného směru výzkumu se zaručenými výsledky produktů rozhodli věnovat se průlomovému tématu, i když s sebou neslo vysoké riziko. Princip tohoto výzkumu spočívá v tom, že když lidé trpí určitými nemocemi, jako je rakovina plic, astma, cukrovka atd., ovlivňuje to metabolické procesy v těle, čímž vytváří charakteristické plyny (biomarkery) v pacientově dechu v různých koncentracích. Tyto biomarkery se budou měnit odlišně pro každý typ onemocnění. Plynové senzory jsou navrženy tak, aby tyto biomarkery identifikovaly a analyzovaly, což pomáhá včas odhalit onemocnění bez invazivních metod, jako jsou biopsie. Vlna mikročipů a polovodičových čipů je žhavější než kdy dříve. Jakým směrem bychom podle profesora měli tuto vlnu využít? - Přesně tak, toto téma je velmi žhavé a je středem mnoha výzkumů, vývojů 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. Upřímně řečeno, naše pracovní síla v oblasti polovodičů a mikročipů je stále příliš malá a má omezené odborné znalosti. Vietnamu navíc v současné době chybí dostatečně silné výzkumné centrum pro polovodiče a robustní ekosystém polovodičů. Podle mého názoru by Vietnam měl využít boomu technologií polovodičů a mikročipů tím, že se zaměří na specializované oblasti s konkurenčním potenciálem, bude investovat do výzkumu a vývoje a vzdělávání lidských zdrojů, vybuduje technologický a podpoří průmyslový ekosystém a bude technologie aplikovat v klíčových odvětvích. Tyto strategie pomohou Vietnamu dosáhnout udržitelného rozvoje a efektivně konkurovat v kontextu rychle se měnících globálních technologií. 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