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

Waren Sie als angewandter Physiker schon einmal von der Romantik und Philosophie der theoretischen Physik fasziniert? – Die praktische Anwendbarkeit und Umsetzbarkeit einer Theorie sind sehr wichtig, da sie neue Perspektiven auf physikalische Phänomene eröffnen und zu neuen Technologien führen kann, an die bisher niemand gedacht hat. Abstrakte Konzepte können zu praktischen Anwendungen in der Nanotechnologie, neuen Materialien, der Medizin und der Quanteninformation führen. Daher sind die Romantik und Philosophie der theoretischen Physik nicht nur attraktiv, sondern ergänzen auch die praktische Anwendbarkeit der angewandten Physik und ermöglichen so eine spannendeEntdeckungsreise und kreative Auseinandersetzung. Die Kombination aus theoretischer und experimenteller Physik bietet Physikern eine umfassende und bereichernde Erfahrung. 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 fundamentaler Prinzipien und bietet eine umfassende Grundlage für neue Perspektiven auf physikalische Phänomene.

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

Können Sie eines Ihrer Hauptforschungsthemen verständlich erklären: Warum haben Nanomaterialien so viele überraschende Eigenschaften? – Nanomaterialien wirken auf atomarer und molekularer Ebene, wo die für große Partikel üblichen physikalischen Gesetze 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 macht Nanomaterialien in vielen Bereichen wie Medizin, Elektronik, Energie usw. so spannend. Ein besonderes Beispiel ist das Element Gold (Symbol Au): In großen Partikeln ist es gelb und wasserunlöslich; zerlegt auf Nanogröße 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 fluoreszierender Marker zur Krankheitsdiagnose eingesetzt.

Mit Freunden von 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 Raumwelt. Ist eine Dimension deutlich größer als die beiden anderen, gilt das Objekt als eindimensional – also als eindimensionales Material; sind zwei Dimensionen deutlich größer als die andere, ist das Objekt nahezu zweidimensional – also zweidimensional. Im Nanomaßstab besitzen 1D- und 2D-Materialien viele einzigartige Eigenschaften, da ihre atomare Struktur auf eine oder zwei Dimensionen beschränkt ist. Ein 1D-Material wie Kohlenstoffnanoröhren (hohle zylindrische Röhren mit Durchmessern <100 Nanometern und Längen von bis zu mehreren Mikrometern oder mehr) weist eine extrem hohe spezifische Zugfestigkeit sowie eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. 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 dauerhafte 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, tragen dazu bei, das menschliche Verständnis der physischen Welt zu erweitern und versprechen bahnbrechende technologische Fortschritte in der Zukunft.

Mit Kollegen bei ITIMS

Stimmt es, dass es umso mehr Überraschungen und potenzielle Anwendungen gibt, je kleiner die Materialpartikel sind? Was bleibt übrig, wenn wir die Partikel bis zum äußersten Ende zerlegen? – Diese Frage ist überaus interessant und hilft, einige grundlegende Prinzipien der Materialwissenschaft und Nanotechnologie zu klären. Tatsächlich treten viele neue und überraschende Eigenschaften zutage, wenn wir die Materialpartikel auf Nanogröße zerlegen. Wenn wir die Partikel weiter zerlegen, nähern wir uns der grundlegendsten Ebene der Materie, d. h. den Atomen und subatomaren Partikeln 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. Dies 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 aufgrund ihrer geringen Größe so wichtig, sondern vor allem aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und ihres breiten Anwendungsspektrums. Obwohl Nanopartikel bereits seit der Antike existieren (z. B. erscheint der Lykurg-Kelch im reflektierten oder durchscheinenden Licht in unterschiedlichen Farben), haben sich ihr Verständnis und ihre Kontrolle in den letzten Jahrzehnten dramatisch verbessert und zahlreiche neue und bahnbrechende Anwendungen in vielen Bereichen ermöglicht. Die Fähigkeit, Nanomaterialien herzustellen und zu kontrollieren, ist daher das Geheimnis. Nanotechnologie eröffnet nicht nur neues Potenzial 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, einfach ausgedrückt, Materialien, bei denen, 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, sind Magnetresonanztomographen (MRT). Diese nutzen supraleitende Magnete, um die starken Magnetfelder zu erzeugen, die für detaillierte Bilder im Körperinneren nötig sind. Dank supraleitender Materialien arbeiten MRT-Geräte effizienter und liefern Bilder von höherer Qualität. 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 komplexe und teure Kühlsysteme, wie beispielsweise flüssiges Helium (-269 °C) oder flüssigen Stickstoff (-196 °C), um die niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Weitere Herausforderungen sind hohe Produktionskosten, geringe mechanische Belastbarkeit, komplexe Fertigungsverfahren, 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 Neuigkeiten gibt es in der Forschung des Professors zu Nanomaterialanwendungen? – Nach etwa 10 Jahren Grundlagenforschung und gewissen Erfolgen auf dem Gebiet der Nanomaterialien und Sensoren beschloss unsere Gruppe, integrierte Nanomaterialien für IoT-Anwendungen (Internet of Things) zur Atemanalyse zur Krankheitsdiagnose 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 Medizintechnologien oder zahlreicher 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 zu einem Halbleiter-Gassensor auf Basis von Nanomaterialien, der ein besseres Ansprechverhalten und niedrigere Nachweisgrenzen für Gaskonzentrationen als Goldnanopartikel bietet und sich für die Anwendung in der Atemanalyse zum Krankheitsscreening und zur Diagnose vollumfänglich eignet. 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 Risikobereitschaft der Stiftung. Dank dieses fortschrittlichen Ansatzes sind wir entschlossen, trotz des hohen potenziellen Risikos ein bahnbrechendes Thema zu verfolgen, anstatt eine sichere Forschungsrichtung mit garantierter Produktentwicklung vorzuschlagen. Das Forschungsprinzip basiert darauf, dass bestimmte Krankheiten wie Lungenkrebs, Asthma oder Diabetes den Stoffwechsel 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. Der Gassensor ist darauf ausgelegt, biologische Marker zu identifizieren und zu analysieren und so Krankheiten frühzeitig zu erkennen, ohne invasive Methoden wie eine Biopsie. Die Entwicklung von Mikrochips und Halbleitern ist aktueller denn je. Wie sollten wir diese Entwicklung laut Professor nutzen? – Ja, dieses Thema ist hochaktuell und steht im Mittelpunkt vieler Forschungen, Entwicklungen und Anwendungen moderner Technologie. 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 Team für Halbleiter und Mikrochips jedoch noch zu klein und verfügt nur über begrenztes Fachwissen. Darüber hinaus fehlt es Vietnam derzeit an einem ausreichend starken Halbleiterforschungszentrum und einem mangelhaften Halbleiter-Ökosystem. Meiner Meinung nach sollte Vietnam die Entwicklung der Halbleiter- und Mikrochiptechnologie nutzen, indem es sich auf Nischen mit Wettbewerbspotenzial konzentriert, in Forschung und Entwicklung sowie Personalentwicklung investiert, ein Technologie-Ökosystem und unterstützende Branchen aufbaut und Technologien in Schlüsselindustrien einsetzt. Diese Strategien werden Vietnam helfen, sich nachhaltig zu entwickeln und im sich schnell verändernden globalen Technologieumfeld 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