Materialwissenschaftler Nguyen Duc Hoa: „Nanomaterialien sind faszinierend!“

Haben Sie als angewandter Physiker jemals die Romantik und Philosophie der theoretischen Physik fasziniert? – Die Praktikabilität und Umsetzbarkeit einer Theorie sind entscheidend, denn sie kann neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnen und zu nie dagewesenen Technologien führen. Abstrakte Konzepte können praktische Anwendungen in der Nanotechnologie, bei neuen Materialien, in der Medizin und in der Quanteninformation nach sich ziehen. Daher ziehen die Romantik und Philosophie der theoretischen Physik nicht nur die praktische Anwendbarkeit der angewandten Physik an, sondern ergänzen sie auch und schaffen so eine faszinierende Reise der Entdeckung und Innovation. Die Kombination von theoretischer und experimenteller Physik bietet Physikern eine umfassende und bereichernde Erfahrung. Ich habe mich schon immer für theoretische Probleme der Physik interessiert und war von ihnen motiviert. Deshalb haben wir in unserer jüngsten Forschung mit Experimentalphysikern sowie theoretischen und computergestützten Forschern zusammengearbeitet. Die Theorie verspricht ein umfassendes Verständnis fundamentaler Prinzipien und bietet gleichzeitig eine solide Grundlage, von der aus sich neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnen können.

Professor Dr. Nguyen Duc Hoa (links) mit seinem inspirierenden Mentor – Professor Dr. Nguyen Duc Chien

Professor, könnten Sie eines Ihrer Hauptforschungsgebiete in einfachen Worten erklären: Warum weisen Nanomaterialien so viele unerwartete Eigenschaften auf? Nanomaterialien wirken auf atomarer und molekularer Ebene, wo die üblichen physikalischen Gesetze, die für größere Dimensionen gelten, nicht mehr anwendbar sind. Dazu gehören Größeneffekte im Nanobereich, Unterschiede im Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, Quanteneffekte und starke Wechselwirkungen zwischen Atomen im Nanobereich. Dies führt zu neuartigen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften und eröffnet ein enormes Anwendungspotenzial. Das ist der Reiz von Nanomaterialien in vielen Bereichen, von der Medizin und Elektronik bis hin zur Energiewirtschaft. Ein eindrucksvolles Beispiel ist das Element Gold (Symbol Au): In größeren Dimensionen ist es gelb und wasserunlöslich; im Nanobereich kann es jedoch je nach Partikelgröße rot, blau oder andere Farben annehmen. Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanopartikel mit einzigartigen optischen Eigenschaften: Bei Anregung emittieren sie Licht, dessen Farbe von der Partikelgröße abhängt. Quantenpunkte werden in TV-Displays (QLEDs), LEDs und in medizinischen Anwendungen wie der Fluoreszenzbildgebung zur Krankheitsdiagnose eingesetzt.

Zusammen mit meinen Kommilitonen der Pädagogischen Universität Hanoi

Was sind 1D- und 2D-Materialien? Sind nicht alle Materialien, die wir sehen, dreidimensional? – Die Welt, die wir wahrnehmen, ist eine dreidimensionale Raumwelt. Wenn eine Dimension viel größer ist als die beiden anderen, kann das Objekt als eindimensional – also als 1D-Material – betrachtet werden; sind hingegen zwei Dimensionen viel größer als die dritte, ist das Objekt fast zweidimensional – also 2D. Im Nanobereich weisen 1D- und 2D-Materialien viele einzigartige Eigenschaften auf, da ihre atomare Struktur auf eine oder zwei Dimensionen beschränkt ist. Ein 1D-Material wie Kohlenstoffnanoröhren (hohle zylindrische Röhren mit einem Durchmesser von unter 100 Nanometern und einer Länge von mehreren Mikrometern oder mehr) besitzt eine extrem hohe Zugfestigkeit sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Nanodrähte (mit einem Durchmesser von unter 100 nm und einem sehr großen Längen-Durchmesser-Verhältnis, hergestellt aus verschiedenen Materialien wie Metallen, Halbleitern und Metalloxiden) können in Sensoren oder elektronischen Bauteilen eingesetzt werden. Ein zweidimensionales Material wie Graphen (bestehend aus einer einzigen Lage Kohlenstoffatomen in wabenförmiger Struktur) zeichnet sich durch sehr hohe mechanische Festigkeit, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aus und bildet die Grundlage für zahlreiche Forschungsarbeiten und Anwendungen in der Elektronik, der Energietechnik und bei transparenten Elektroden. Dank der Nanotechnologie werden eindimensionale und zweidimensionale Materialien zunehmend weiterentwickelt und finden vielfältige Anwendung. Sie tragen dazu bei, unser Verständnis der physikalischen Welt zu erweitern und versprechen bahnbrechende technologische Fortschritte in der Zukunft.

Gemeinsam mit Kollegen bei ITIMS

Je weiter wir Materialpartikel zerlegen, desto mehr Überraschungen und Anwendungsmöglichkeiten entdecken wir? Was bleibt übrig, wenn wir Partikel auf das absolute Minimum reduzieren? Diese faszinierende Frage trägt zum Verständnis einiger fundamentaler Prinzipien der Materialwissenschaft und Nanotechnologie bei. Tatsächlich treten beim Zerlegen von Materialpartikeln in den Nanobereich viele neue und unerwartete Eigenschaften zutage. Durch die weitere Zerlegung nähern wir uns der fundamentalsten Ebene der Materie: Atomen und subatomaren Teilchen wie Protonen, Neutronen, Quarks, Leptonen und Bosonen – den derzeit kleinsten Bausteinen der Materie. Doch in Zukunft könnten noch viele weitere fundamentale Teilchen entdeckt oder deren Existenz vorhergesagt werden. Genau das motiviert Materialwissenschaftler, denn die Wissenschaft kennt kein Ende. Sie ist zugleich der Bereich der Faszination, der Fantasie und der Philosophie in der theoretischen Physik.

Seit der Antike wurden Nanopartikel in zahlreichen Artefakten gefunden. Warum sind Nanomaterialien so wichtig für die moderne Gesellschaft? Nanomaterialien sind nicht nur aufgrund ihrer geringen Größe, sondern vor allem wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften und ihres breiten Anwendungspotenzials von immenser Bedeutung. Obwohl Nanopartikel bereits seit der Antike existieren (beispielsweise schimmert der Lykurgosbecher je nach Lichteinfall in unterschiedlichen Farben), haben sich unser Verständnis und unsere Kontrolle über sie in den letzten Jahrzehnten rasant weiterentwickelt und zahlreiche neue, bahnbrechende Anwendungen in verschiedenen Bereichen ermöglicht. Die Fähigkeit, Nanomaterialien herzustellen und zu kontrollieren, ist daher der Schlüssel. Die Nanotechnologie eröffnet nicht nur neue Potenziale für aktuelle Anwendungen, sondern schafft auch bahnbrechende Möglichkeiten für die Zukunft und leistet so einen positiven Beitrag zur globalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung.

Gemeinsam mit den Kollegen von ITIMS in Ba Vi

Was ist mit supraleitenden Materialien und ihren Anwendungen? Vereinfacht gesagt, ist ein supraleitendes Material ein Material, dessen Eigenschaften sich bei Stromfluss nicht verändern und keine Energieverluste auftreten. Supraleitende Materialien finden vielfältige Anwendung in Bereichen wie Medizin , Energieübertragung, Magnetschwebebahnen, Teilchenbeschleunigern usw. Das derzeit am häufigsten verwendete Gerät ist die Magnetresonanztomographie (MRT). Sie nutzt supraleitende Magnete, um das für detaillierte Bilder des Körperinneren notwendige starke Magnetfeld zu erzeugen. Dank supraleitender Materialien arbeiten MRT-Geräte effizienter und liefern Bilder höherer Qualität. Kürzlich testete China erfolgreich eine Magnetschwebebahn mit supraleitenden Spulen in einer Vakuumröhre und erreichte Geschwindigkeiten von über 623 km/h (die geplante Höchstgeschwindigkeit liegt bei 1.000 km/h). Die größte Herausforderung für die Kommerzialisierung und breite Anwendung supraleitender Materialien ist derzeit ihre sehr niedrige Betriebstemperatur. Supraleitung erfordert komplexe und teure Kühlsysteme, beispielsweise mit flüssigem Helium (-269 °C) oder flüssigem Stickstoff (-196 °C), um die niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Weitere Herausforderungen sind hohe Produktionskosten, geringe mechanische Festigkeit, komplexe Fertigungstechnologien, die Aufrechterhaltung der Supraleitung in starken Magnetfeldern sowie die Notwendigkeit der Supraleitung unter hohem Druck.

Diskussion mit Kollegen im Labor.

Was sind die neuesten Entwicklungen in der Forschung des Professors zu Nanomaterialanwendungen? – Nach rund zehn Jahren Grundlagenforschung mit einigen Erfolgen im Bereich Nanomaterialien und Sensoren beschloss unsere Gruppe, integrierte Nanomaterialien für Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) zur Atemgasanalyse in der Krankheitsdiagnostik zu erforschen. Dies ist ein bedeutender Fortschritt und unterstreicht den interdisziplinären Ansatz moderner wissenschaftlicher Forschung. Die Kombination von Nanomaterialien, elektronischen Bauteilen und IoT eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für die Krankheitsdiagnostik, sondern trägt auch zur Entwicklung fortschrittlicher Medizintechnologien und zahlreicher Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Umwelt und Sicherheit bei. Unsere Idee entstand 2009, als wir eine in Nature Nanotechnology veröffentlichte Forschungsarbeit von Hosam Haick (Israel) zu den Ergebnissen der Lungenkrebsdiagnose mittels Goldnanopartikeln lasen. Die Forschungsergebnisse dieser Gruppe zeigen, dass durch den Vergleich der Atemgasanalysen gesunder Personen und Lungenkrebspatienten Lungenkrebspatienten identifiziert werden können.

Der Austausch mit Experten auf einer Veranstaltung.

Unsere nachfolgende Forschung führte zur Entwicklung von Halbleiter-Gassensoren mit Nanomaterialien. Diese Sensoren bieten im Vergleich zu Goldnanopartikeln eine höhere Empfindlichkeit und niedrigere Nachweisgrenzen für Gaskonzentrationen und eignen sich hervorragend für die Anwendung in der Atemgasanalyse zur Krankheitsfrüherkennung und -diagnose. Dieser Forschungsansatz wurde 2019 in einem von der Vingroup Innovation Foundation (VinIF) geförderten Projekt verfolgt. Ein wesentlicher Grund für unser Vertrauen in die VinIF Foundation, dieses anspruchsvolle Projekt vorzuschlagen, ist deren risikofreudiger Ansatz. Dank dieses fortschrittlichen Mechanismus entschieden wir uns, anstatt einen sicheren Forschungsansatz mit garantierten Produktergebnissen zu verfolgen, für ein bahnbrechendes Thema mit hohem Risiko. Das Prinzip dieser Forschung beruht darauf, dass bestimmte Erkrankungen wie Lungenkrebs, Asthma, Diabetes usw. die Stoffwechselprozesse im Körper beeinflussen und dadurch charakteristische Gase (Biomarker) in unterschiedlichen Konzentrationen in der Atemluft der Patienten erzeugen. Diese Biomarker verändern sich je nach Krankheitsart. Gassensoren sind darauf ausgelegt, diese Biomarker zu identifizieren und zu analysieren und so Krankheiten frühzeitig und ohne invasive Methoden wie Biopsien zu erkennen. Der Boom von Mikrochips und Halbleiterchips ist aktueller denn je. Wie sollten wir diesen Trend laut Professor nutzen? – Genau, dieses Thema ist hochaktuell und steht im Zentrum vieler Forschungs-, Entwicklungs- und Anwendungsbereiche moderner Technologien. Das Wachstum und der Fortschritt in diesem Bereich fördern nicht nur die Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologie, sondern haben auch tiefgreifende Auswirkungen auf viele andere Branchen. Doch ehrlich gesagt ist unser Fachkräftepotenzial im Bereich Halbleiter und Mikrochips noch zu gering und begrenzt. Darüber hinaus fehlt Vietnam derzeit ein ausreichend leistungsstarkes Halbleiterforschungszentrum und ein robustes Halbleiter-Ökosystem. Meiner Meinung nach sollte Vietnam den Boom der Halbleiter- und Mikrochip-Technologie nutzen, indem es sich auf Nischenbereiche mit Wettbewerbspotenzial konzentriert, in Forschung und Entwicklung sowie in die Ausbildung von Fachkräften investiert, ein Technologie- und unterstützendes industrielles Ökosystem aufbaut und die Technologie in Schlüsselindustrien anwendet. Diese Strategien werden Vietnam helfen, eine nachhaltige Entwicklung zu erreichen und im Kontext des rasanten globalen Technologiewandels wettbewerbsfähig zu bleiben. Vielen Dank, Professor!

Thanhnien.vn

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