Materialwissenschaftler Nguyen Duc Hoa: „Nanomaterialien sind so interessant!“

Waren Sie als angewandter Physiker schon einmal fasziniert von der Romantik und Philosophie der theoretischen Physik? – Die Praktikabilität und Umsetzbarkeit einer Theorie sind sehr wichtig, da eine Theorie neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnen und so zu neuen Technologien führen kann, an die man bisher nicht gedacht hat. Abstrakte Konzepte können zu praktischen Anwendungen in der Nanotechnologie, bei neuen Materialien, in der Medizin und in der Quanteninformation führen … Daher sind die Romantik und Philosophie der theoretischen Physik nicht nur attraktiv, sondern ergänzen auch die Praktikabilität der angewandten Physik und ermöglichen so eine spannende Entdeckungsreise und Kreativität. Die Kombination aus theoretischer und experimenteller Physik bietet Physikern umfassende und reichhaltige Erfahrungen. Theoretische Probleme der Physik haben mich schon immer interessiert und motiviert. Deshalb haben wir in unseren jüngsten Studien Experimentalphysiker mit Theorie- und Computerforschern zusammengearbeitet. Die Theorie verspricht ein umfassendes Verständnis der grundlegenden Prinzipien und bietet eine umfassende Basis, von der aus neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnet werden können.

Prof. Dr. Nguyen Duc Hoa (links) mit seinem inspirierenden Lehrer – Prof. Dr. Volkslehrer Nguyen Duc Chien

Können Sie eines Ihrer Hauptforschungsthemen leicht verständlich erklären: Warum haben Nanomaterialien so viele überraschende Eigenschaften? – Nanomaterialien wirken auf atomarer und molekularer Ebene, wo die physikalischen Gesetze, die üblicherweise bei großen Partikeln gelten, nicht mehr gelten. Dazu gehören Größeneffekte im Nanomaßstab, Unterschiede im Oberflächen-Volumen-Verhältnis, Quanteneffekte und starke Wechselwirkungen zwischen Atomen im Nanomaßstab. Dadurch entstehen neuartige physikalische, chemische und biologische Eigenschaften, die ein breites Spektrum potenzieller Anwendungen eröffnen. Das ist der Grund für die Faszination von Nanomaterialien in vielen Bereichen wie Medizin, Elektronik, Energie usw. Ein besonderes Beispiel ist das Element Gold (Symbol Au): In großen Partikeln ist es gelb und wasserunlöslich; auf Nanogröße zerlegt kann es jedoch je nach Partikelgröße rot, blau oder andersfarbig sein. Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanopartikel mit besonderen optischen Eigenschaften: Bei Anregung emittieren sie Licht, dessen Farbe von der Partikelgröße abhängt. Quantenpunkte werden in Fernsehbildschirmen (QLED), LED-Leuchten und medizinischen Anwendungen wie der Bildgebung von Fluoreszenzmarkern zur Krankheitsdiagnose eingesetzt.

Mit Studierenden der Hanoi National University of Education

Was sind 1D- und 2D-Materialien? Sind die Materialien, die wir sehen, nicht dreidimensional? – Die Welt, die wir wahrnehmen, ist eine dreidimensionale räumliche Welt. Wenn eine Dimension viel größer ist als die beiden anderen, kann das Objekt als eindimensional betrachtet werden – das heißt, es handelt sich um ein eindimensionales Material; oder wenn zwei Dimensionen viel größer sind als die andere, ist das Objekt nahezu zweidimensional – das heißt, es besteht aus zwei Dimensionen. Im Nanomaßstab haben 1D- und 2D-Materialien viele einzigartige Eigenschaften, da ihre atomare Struktur auf eine oder zwei Dimensionen beschränkt ist. Ein eindimensionales Material wie Kohlenstoffnanoröhren (hohle zylindrische Röhren mit Durchmessern <100 Nanometern und Längen von bis zu mehreren Mikrometern oder mehr) hat eine extrem hohe spezifische Zugfestigkeit und eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Ein Nanodraht (mit einem Durchmesser < 100 nm und einem sehr großen Längen-/Durchmesserverhältnis) kann aus vielen verschiedenen Materialien wie Metallen, Halbleitern und Metalloxiden hergestellt werden ... und kann in Sensoren oder elektronischen Komponenten verwendet werden. Ein 2D-Material wie Graphen (mit einer Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Wabennetzwerk angeordnet sind) hat sehr starke mechanische Eigenschaften, eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und ist die Grundlage für viele Studien und Anwendungen in den Bereichen Elektronik, Energie und transparente Elektroden ... Mit der Nanotechnologie entwickeln sich 1D- und 2D-Materialien zunehmend weiter und haben vielfältige Anwendungen, die zu einem erweiterten Verständnis der menschlichen Welt beitragen und für die Zukunft bahnbrechende technologische Fortschritte versprechen.

Mit Kollegen bei ITIMS

Stimmt es, dass es umso mehr Überraschungen und potenzielle Anwendungen gibt, je kleiner die Teilchen eines Materials sind? Was bleibt übrig, wenn wir die Teilchen bis zum äußersten Ende zerlegen? – Diese Frage ist sehr interessant und hilft, einige grundlegende Prinzipien der Materialwissenschaft und Nanotechnologie zu klären. Tatsächlich treten viele neue und überraschende Eigenschaften zutage, wenn wir die Teilchen eines Materials auf Nanogröße zerlegen. Wenn wir die Teilchen weiter zerlegen, nähern wir uns der grundlegendsten Ebene der Materie, d. h. den Atomen und subatomaren Teilchen wie Protonen, Neutronen, Quarks, Leptonen und Bosonen – den gegenwärtig kleinsten Bausteinen von Materialien. Es ist jedoch möglich, dass in Zukunft noch mehr Elementarteilchen gefunden oder deren Existenz vorhergesagt werden. Das ist die treibende Kraft für Materialwissenschaftler, denn die Wissenschaft hat kein Ende. In der theoretischen Physik sind dies auch die Bereiche der Romantik, Fantasie und Philosophie.

Nanopartikel wurden seit der Antike in zahlreichen Artefakten gefunden. Was macht Nanomaterialien für die moderne Gesellschaft so wichtig? – Nanomaterialien sind für die moderne Gesellschaft nicht nur wegen ihrer geringen Größe so wichtig, sondern vor allem wegen ihrer einzigartigen Eigenschaften und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sie bieten. Obwohl Nanopartikel seit der Antike existieren (z. B. erscheint der Lykurg-Kelch in unterschiedlichen Farben, wenn er im reflektierten oder durchgelassenen Licht betrachtet wird), haben sich ihr Verständnis und ihre Kontrolle in den letzten Jahrzehnten dramatisch verbessert, was zahlreiche neue und bahnbrechende Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen ermöglicht hat. Die Fähigkeit, Nanomaterialien herzustellen und zu kontrollieren, ist daher das Geheimnis. Die Nanotechnologie eröffnet nicht nur neue Potenziale für aktuelle Anwendungen, sondern schafft auch bahnbrechende Möglichkeiten für die Zukunft und trägt positiv zur globalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung bei.

Mit ITIMS-Kollegen in Ba Vi

Was ist mit supraleitenden Materialien und ihren Anwendungen? – Supraleitende Materialien sind, vereinfacht gesagt, Materialien, die, wenn elektrischer Strom durch sie hindurchfließt, dieser Strom ewig fließt, ohne abzunehmen oder Energie zu verlieren. Supraleitende Materialien finden in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung, beispielsweise in der Medizin , Energieübertragung, Magnetschwebebahnen, Teilchenbeschleunigern usw. Das derzeit beliebteste Gerät, in dem supraleitende Materialien verwendet werden, ist der Magnetresonanztomograph (MRT). Dieser nutzt supraleitende Magnete, um das starke Magnetfeld zu erzeugen, das für detaillierte Bilder im Körperinneren nötig ist. Dank supraleitender Materialien arbeiten MRT-Geräte effizienter und liefern qualitativ hochwertigere Bilder. Vor kurzem hat China erfolgreich einen Zug getestet, der auf einer Magnetschwebebahn aus supraleitenden Spulen in einer Vakuumröhre fährt und Geschwindigkeiten von bis zu 623 km/h erreicht hat (die Konstruktionsgeschwindigkeit kann 1.000 km/h erreichen). Die vielleicht größte Herausforderung, die derzeit die Kommerzialisierung und weite Verbreitung supraleitender Materialien verhindert, ist die extrem niedrige Betriebstemperatur. Supraleitung erfordert den Einsatz komplexer und teurer Kühlsysteme, beispielsweise mit flüssigem Helium (-269 °C) oder flüssigem Stickstoff (-196 °C), um die niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Weitere Herausforderungen sind hohe Produktionskosten, geringe mechanische Haltbarkeit, komplexe Fertigungstechniken, die Fähigkeit, den supraleitenden Zustand in starken Magnetfeldern aufrechtzuerhalten, oder die Notwendigkeit, den supraleitenden Zustand unter hohem Druck aufrechtzuerhalten.

Gespräche mit Kollegen im Labor

Welche neuen Entwicklungen gibt es in der Forschung des Professors zur Anwendung von Nanomaterialien? – Nach etwa 10 Jahren Grundlagenforschung und einigen Erfolgen auf dem Gebiet der Nanomaterialien und Sensoren hat sich unsere Gruppe dazu entschlossen, integrierte Nanomaterialien für Anwendungen im IoT (Internet der Dinge) zur Atemanalyse zur Diagnose von Krankheiten zu erforschen. Dies ist ein echter Entwicklungsschritt und zeigt deutlich den interdisziplinären Geist in der modernen wissenschaftlichen Forschung. Die Kombination von Nanomaterialien, elektronischen Komponenten und IoT eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für die Krankheitsdiagnose, sondern trägt auch zur Entwicklung fortschrittlicher medizinischer Technologien oder vieler Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Umwelt, Sicherheit usw. bei. Unsere Idee entstand 2009 unter Bezugnahme auf die Forschungsarbeit in der Zeitschrift Nature Nanotechnology unter der Leitung von Hosam Haick (Israel) zu den Ergebnissen „Diagnose von Lungenkrebs durch Atem mithilfe von Goldnanopartikeln“. Die Forschung dieser Gruppe zeigt, dass es durch den Vergleich der Atemanalyseergebnisse von gesunden Menschen und Lungenkrebspatienten möglich ist, Lungenkrebspatienten zu identifizieren.

Sprechen Sie bei einer Veranstaltung mit einem Experten

Unsere anschließende Forschung führte zur Entwicklung eines Halbleiter-Gassensors auf Basis von Nanomaterialien, der eine bessere Reaktion und niedrigere Nachweisgrenzen für Gaskonzentrationen als Goldnanomaterialien bietet und vollständig für die Anwendung in der Atemanalyse zum Screening und zur Diagnose von Krankheiten entwickelt werden kann. Dies ist die angewandte Forschungsrichtung eines 2019 von der Vingroup Innovation Foundation (VinIF) geförderten Projekts. Einer unserer Beweggründe, dieses anspruchsvolle Projekt der VinIF mit Zuversicht vorzuschlagen, ist die risikofreudige Natur der Stiftung. Dank dieses fortschrittlichen Ansatzes sind wir entschlossen, trotz des hohen potenziellen Risikos ein bahnbrechendes Thema zu verfolgen, anstatt eine sichere Forschungsrichtung vorzuschlagen, die garantiert zu einem Produkt führt. Das Prinzip dieser Forschung basiert darauf, dass bestimmte Krankheiten wie Lungenkrebs, Asthma, Diabetes usw. den Stoffwechsel des Körpers beeinflussen und dadurch charakteristische Gase (biologische Marker) in unterschiedlichen Konzentrationen in der Atemluft des Patienten entstehen. Diese biologischen Marker verändern sich je nach Krankheitsart unterschiedlich. Gassensoren sind darauf ausgelegt, biologische Marker zu identifizieren und zu analysieren und so zu einer frühzeitigen Erkennung von Krankheiten ohne invasive Methoden wie Biopsien beizutragen. Die Welle der Mikrochips und Halbleiterchips ist aktueller denn je. Wie sollten wir diese Welle laut Professor nutzen? – Ja, dieses Thema ist brandaktuell und steht im Mittelpunkt vieler Forschungen, Entwicklungen und Anwendungen moderner Technologien. Wachstum und Fortschritt in diesem Bereich fördern nicht nur die Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologie, sondern haben auch tiefgreifende Auswirkungen auf viele andere Branchen. Ehrlich gesagt ist unser Halbleiter- und Mikrochip-Team jedoch noch zu klein und verfügt nur über begrenztes Fachwissen. Darüber hinaus fehlt es Vietnam heute an einem ausreichend starken Halbleiterforschungszentrum und es mangelt ihm auch an einem Halbleiter-Ökosystem. Meiner Meinung nach sollte Vietnam die Welle der Entwicklung der Halbleiter- und Mikrochip-Technologie nutzen, indem es sich auf Nischenbereiche mit Wettbewerbspotenzial konzentriert, in Forschung und Entwicklung sowie Personalschulung investiert, ein Technologie-Ökosystem und unterstützende Branchen aufbaut und Technologie in Schlüsselindustrien einsetzt. Diese Strategien werden Vietnam helfen, sich nachhaltig zu entwickeln und im sich schnell verändernden globalen Technologiekontext 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