מדען החומרים נגוין דוק הואה: "ננו-חומרים הם מרתקים!"

כפיזיקאי יישומי, האם אי פעם נשבית בקסמי הרומנטיקה והפילוסופיה של הפיזיקה התאורטית? - המעשיות וההיתכנות של תיאוריה הן קריטיות משום שתיאוריה יכולה לפתוח נקודות מבט חדשות על תופעות פיזיקליות, ולהוביל לטכנולוגיות חדשות שמעולם לא נשקלו קודם לכן. מושגים מופשטים יכולים להוביל ליישומים מעשיים בננוטכנולוגיה, חומרים חדשים, רפואה ומידע קוונטי... לכן, הרומנטיקה והפילוסופיה של הפיזיקה התאורטית לא רק מושכות אלא גם משלימות את המעשיות של הפיזיקה היישומית, ויוצרות מסע מרתק של גילוי וחדשנות. שילוב פיזיקה תאורטית וניסויית מספק חוויה מקיפה ומעשירה לפיזיקאים. תמיד התעניינתי והייתי מוטיבציה מהן. זו הסיבה שהמחקר האחרון שלנו כלל שיתוף פעולה בין ניסויים לחוקרים תאורטיים וחישוביים. התיאוריה מבטיחה הבנה מלאה של עקרונות יסוד, כמו גם מספקת בסיס מקיף שממנו ניתן לפתוח נקודות מבט חדשות על תופעות פיזיקליות.

פרופסור ד"ר נגוין דוק הואה (משמאל) עם המנטור מעורר ההשראה שלו - פרופסור ד"ר נגוין דוק צ'יין

פרופסור, האם תוכל להסביר במילים פשוטות את אחד מנושאי המחקר העיקריים שלך: מדוע לננו-חומרים יש כל כך הרבה תכונות בלתי צפויות? ננו-חומרים פועלים ברמה האטומית והמולקולרית, שבה החוקים הפיזיקליים הרגילים החלים בגדלים גדולים יותר אינם חלים עוד, כולל השפעות גודל בקנה מידה ננומטרי, הבדלים ביחסי פני השטח לנפח, השפעות קוונטיות ואינטראקציות חזקות בין אטומים בקנה מידה ננומטרי. זה יוצר תכונות פיזיקליות, כימיות וביולוגיות חדשות, ופותח יישומים פוטנציאליים עצומים. זהו המשיכה של ננו-חומרים בתחומים רבים, החל מרפואה ואלקטרוניקה ועד אנרגיה... דוגמה בולטת היא היסוד זהב (סמל Au): בגדלים גדולים יותר, הוא צהוב ואינו מסיס במים; אך כאשר הוא מתפרק לקנה מידה ננומטרי, הוא יכול להיות אדום, כחול או בצבעים אחרים בהתאם לגודל החלקיקים. נקודות קוונטיות הן ננו-חלקיקים מוליכים למחצה בעלי תכונות אופטיות ייחודיות: כאשר הם מעוררים, הם פולטים אור שצבעו תלוי בגודל החלקיקים. נקודות קוונטיות משמשות בצגי טלוויזיה (QLED), נוריות LED ויישומים רפואיים כגון דימות פלואורסצנטי לאבחון מחלות.

יחד עם חבריי לכיתה מאוניברסיטת האנוי הפדגוגית

מהם חומרים חד-ממדיים ודו-ממדיים? האם לא כל החומרים שאנו רואים הם תלת-ממדיים? - העולם שאנו תופסים הוא עולם מרחבי תלת-ממדי. כאשר ממד אחד גדול בהרבה משני הממדים האחרים, האובייקט יכול להיחשב חד-ממדי - כלומר, חומר חד-ממדי; או כאשר שני ממדים גדולים בהרבה מהממד השני, האובייקט כמעט נחשב דו-ממדי - כלומר, דו-ממדי. בקנה מידה ננומטרי, לחומרים חד-ממדיים ודו-ממדיים יש תכונות ייחודיות רבות מכיוון שהמבנה האטומי שלהם מוגבל לממד אחד או שניים. חומר חד-ממדי כמו ננו-צינוריות פחמן (צינורות גליליים חלולים בקוטר <100 ננומטר ואורך שיכול להגיע לכמה מיקרומטרים או יותר) הוא בעל חוזק מתיחה חלקי גבוה במיוחד ומוליכות חשמלית ותרמית טובה. ננו-חוטים (בקוטר <100 ננומטר ויחס אורך-קוטר גדול מאוד, העשויים מחומרים שונים כגון מתכות, מוליכים למחצה ותחמוצות מתכת) יכולים לשמש בחיישנים או רכיבים אלקטרוניים. חומר דו-ממדי כמו גרפן (בעובי של שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים בסריג חלת דבש) הוא בעל תכונות מכניות חזקות מאוד, מוליכות חשמלית ותרמית טובה, והוא מהווה בסיס למחקרים ויישומים רבים בתחומי האלקטרוניקה, האנרגיה והאלקטרודות השקופות. בעזרת ננוטכנולוגיה, חומרים חד-ממדיים ודו-ממדיים מתפתחים יותר ויותר ויש להם יישומים מגוונים, התורמים להרחבת ההבנה האנושית של העולם הפיזי ומבטיחים התקדמות טכנולוגית פורצת דרך בעתיד.

יחד עם עמיתים ב-ITIMS

האם ככל שנפרק חלקיקי חומר עמוק יותר, כך נגלה יותר הפתעות ויישומים פוטנציאליים? מה נשאר אם נפרק חלקיקים למינימום המוחלט? זוהי שאלה מרתקת המסייעת להבהיר כמה עקרונות יסוד במדע החומרים ובננוטכנולוגיה. ואכן, כאשר אנו מפרקים חלקיקי חומר לקנה מידה ננומטרי, צצות תכונות חדשות ובלתי צפויות רבות. על ידי פירוק חלקיקים נוסף, אנו מתקרבים לרמה הבסיסית ביותר של החומר, כלומר אטומים וחלקיקים תת-אטומיים כמו פרוטונים, נויטרונים, קווארקים, לפטונים ובוזונים - כיום היחידות הקטנות ביותר המרכיבות חומרים. עם זאת, בעתיד, ייתכן שיתגלו או יתחזו קיומם של חלקיקים בסיסיים רבים נוספים. זה מה שמניע את מדעני החומרים, כי למדע אין נקודת סיום. אלה גם תחומי הרומנטיקה, הדמיון והפילוסופיה בפיזיקה תיאורטית.

מאז ימי קדם, נמצאו חלקיקים ננומטריים בחפצים רבים. מה הופך ננומטריים לכל כך חשובים לחברה המודרנית? ננומטריים חשובים ביותר לחברה המודרנית לא רק בגלל גודלם הקטן, אלא בעיקר בגלל תכונותיהם הייחודיות ופוטנציאל היישומים הנרחב שלהם. למרות שננומטריים קיימים מאז ימי קדם (לדוגמה, גביע הליקורגוס יהיה בעל צבעים שונים כאשר הוא מסתכל תחת אור מוחזר או מועבר), ההבנה והשליטה שלנו בהם התקדמו באופן דרמטי בעשורים האחרונים, ופתחו יישומים חדשים ופורצי דרך רבים בתחומים שונים. לפיכך, היכולת לייצר ולשלוט בחומרים ננומטריים היא המפתח. ננוטכנולוגיה לא רק פותחת פוטנציאל חדש ליישומים עכשוויים, אלא גם יוצרת הזדמנויות פורצות דרך בעתיד, ותורמת באופן חיובי לפיתוח כלכלי וחברתי עולמי.

יחד עם עמיתים של ITIMS בבא וי

ומה לגבי חומרים מוליכי-על ויישומיהם? במילים פשוטות, חומר מוליך-על הוא חומר שכאשר זרם חשמלי זורם דרכו, הוא יישאר קבוע ללא התדרדרות או אובדן אנרגיה. לחומרים מוליכי-על יש יישומים רבים ושונים בתחומים כמו רפואה , העברת חשמל, רכבות ריחוף מגנטיות, מאיצי חלקיקים וכו'. כיום, המכשיר הנפוץ ביותר המשתמש בחומרים מוליכי-על הוא מכונות דימות תהודה מגנטית (MRI), המשתמשות במגנטים מוליכי-על כדי ליצור את השדה המגנטי החזק הדרוש להדמיה מפורטת של פנים הגוף. הודות לחומרים מוליכי-על, מכונות MRI פועלות ביעילות רבה יותר ומספקות תמונות באיכות גבוהה יותר. לאחרונה, סין בדקה בהצלחה רכבת ריחוף מגנטית עם סלילים מוליכי-על בשפופרת ואקום, והשיגה מהירויות של מעל 623 קמ"ש (מהירות התכנון יכולה להגיע ל-1,000 קמ"ש). אולי האתגר הגדול ביותר המעכב כיום את המסחור והשימוש הנרחב בחומרים מוליכי-על הוא טמפרטורת הפעולה הנמוכה מאוד שלהם. מוליכות-על דורשת שימוש במערכות קירור מורכבות ויקרות, כגון הליום נוזלי (-269°C) או חנקן נוזלי (-196°C) כדי לשמור על טמפרטורות נמוכות. אתגרים נוספים כוללים עלויות ייצור גבוהות, חוזק מכני ירוד, טכנולוגיית ייצור מורכבת, היכולת לשמור על מוליכות-על בשדות מגנטיים חזקים, והדרישה למוליכות-על תחת לחץ גבוה.

דיון עם עמיתים במעבדה.

מהן ההתפתחויות האחרונות במחקר של פרופסור על יישומי ננו-חומרים? - לאחר כ-10 שנים של מחקר בסיסי, עם הישגים מסוימים בתחום הננו-חומרים והחיישנים, הקבוצה שלנו החליטה לחקור ננו-חומרים משולבים ליישומים ב-IoT (האינטרנט של הדברים) לניתוח נשימה באבחון מחלות. זהו באמת צעד קדימה ומדגים בבירור את הרוח הבין-תחומית במחקר מדעי מודרני. השילוב של ננו-חומרים, רכיבים אלקטרוניים ו-IoT לא רק פותח פוטנציאל חדש לאבחון מחלות אלא גם תורם לפיתוח טכנולוגיות רפואיות מתקדמות, או יישומים רבים בתחומים שונים כמו תעשייה, סביבה, ביטחון... הרעיון שלנו נולד בשנת 2009 כאשר התייעצנו עם מאמר מחקר שפורסם ב-Nature Nanotechnology מאת חוסאם חאיק (ישראל) על תוצאות "אבחון סרטן ריאות דרך נשימה באמצעות ננו-חלקיקי זהב". מחקרה של קבוצה זו מצביע על כך שעל ידי השוואת תוצאות ניתוח נשימה של אנשים בריאים וחולי סרטן ריאות, ניתן לזהות חולי סרטן ריאות.

אינטראקציה עם מומחים באירוע.

המחקר שלנו לאחר מכן הביא ליצירת חיישני גז מוליכים למחצה המשתמשים בננו-חומרים, המציעים תגובה טובה יותר וגבולות גילוי ריכוז גז נמוכים יותר בהשוואה לננו-חלקיקי זהב, והם ניתנים לפיתוח מלא ליישומים בניתוח נשימה לצורך סינון ואבחון מחלות. זהו כיוון מחקר שיושם בפרויקט שמומן על ידי קרן החדשנות Vingroup (VinIF) בשנת 2019. אחד הכוחות המניעים מאחורי הביטחון שלנו בהצעת פרויקט מאתגר זה לקרן VinIF הוא גישת "נטילת הסיכונים" של הקרן. הודות למנגנון מתקדם זה, במקום להציע כיוון מחקר בטוח עם תוצאות מוצר מובטחות, החלטנו להמשיך בנושא פורץ דרך, גם אם הוא כרוך בסיכון גבוה. העיקרון של מחקר זה הוא שכאשר אנשים סובלים ממחלות מסוימות כמו סרטן ריאות, אסטמה, סוכרת וכו', הדבר משפיע על התהליכים המטבוליים בגוף, ובכך יוצרים גזים אופייניים (סמנים ביולוגיים) בנשימת המטופל בריכוזים שונים. סמנים ביולוגיים אלה ישתנו באופן שונה עבור כל סוג של מחלה. חיישני גז נועדו לזהות ולנתח סמנים ביולוגיים אלה, ולסייע בזיהוי מחלות מוקדם ללא שיטות פולשניות כמו ביופסיות. גל השבבים והשבבים המוליכים למחצה לוהט מאי פעם. לדברי הפרופסור, לאיזה כיוון עלינו לנצל את הגל הזה? - נכון, נושא זה חם מאוד ועומד במרכז מחקרים, פיתוחים ויישומים רבים של טכנולוגיה מודרנית. הצמיחה וההתקדמות בתחום זה לא רק מקדמות את פיתוח טכנולוגיית המידע והתקשורת, אלא גם משפיעות רבות על תעשיות רבות אחרות. אבל למען האמת, כוח העבודה שלנו בתחום השבבים והמיקרו-שבבים עדיין קטן מדי, עם מומחיות מוגבלת. יתר על כן, לווייטנאם חסר כיום מרכז מחקר חזק מספיק בתחום השבבים ומערכת אקולוגית חזקה בתחום השבבים. לדעתי, וייטנאם צריכה לנצל את פריחת טכנולוגיית השבבים והמיקרו-שבבים על ידי התמקדות בתחומים נישה בעלי פוטנציאל תחרותי, השקעה במחקר ופיתוח ובהכשרת משאבי אנוש, בניית טכנולוגיה ותמיכה במערכת אקולוגית תעשייתית, ויישום טכנולוגיה בתעשיות מפתח. אסטרטגיות אלו יסייעו לווייטנאם להשיג פיתוח בר-קיימא ולהתחרות ביעילות בהקשר של טכנולוגיה עולמית המשתנה במהירות. תודה לך, פרופסור!

Thanhnien.vn

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