Materiaalwetenschapper Nguyen Duc Hoa: 'Nanomaterialen zijn fascinerend!'

Bent u als toegepast natuurkundige ooit gefascineerd geweest door de romantiek en filosofie van de theoretische natuurkunde? - De praktische toepasbaarheid en haalbaarheid van een theorie zijn cruciaal, omdat een theorie nieuwe perspectieven kan bieden op fysische verschijnselen en kan leiden tot nieuwe technologieën die nog nooit eerder zijn overwogen. Abstracte concepten kunnen leiden tot praktische toepassingen in nanotechnologie, nieuwe materialen, geneeskunde en kwantuminformatie... Daarom trekken de romantiek en filosofie van de theoretische natuurkunde niet alleen aan, maar vullen ze ook de praktische toepasbaarheid van de toegepaste natuurkunde aan, wat resulteert in een fascinerende ontdekkingsreis en innovatie. De combinatie van theoretische en experimentele natuurkunde biedt natuurkundigen een uitgebreide en verrijkende ervaring. Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in en gemotiveerd door theoretische problemen in de natuurkunde. Daarom is ons recente onderzoek gebaseerd op samenwerking tussen experimentatoren en theoretische en computationele onderzoekers. De theorie belooft een volledig begrip van fundamentele principes en biedt tevens een brede basis van waaruit nieuwe perspectieven op fysische verschijnselen kunnen worden geopend.

Professor dr. Nguyen Duc Hoa (links) met zijn inspirerende mentor – Professor dr. Nguyen Duc Chien

Professor, zou u in eenvoudige bewoordingen een van uw belangrijkste onderzoeksonderwerpen kunnen uitleggen: waarom hebben nanomaterialen zoveel onverwachte eigenschappen? Nanomaterialen werken op atomair en moleculair niveau, waar de gebruikelijke natuurwetten die gelden voor grotere afmetingen niet langer van toepassing zijn. Denk hierbij aan grootte-effecten op nanoschaal, verschillen in oppervlakte-volumeverhouding, kwantummechanische effecten en sterke interacties tussen atomen op nanoschaal. Dit creëert nieuwe fysische, chemische en biologische eigenschappen, waardoor enorme potentiële toepassingen mogelijk worden. Dat is de aantrekkingskracht van nanomaterialen in vele vakgebieden, van geneeskunde en elektronica tot energie. Een treffend voorbeeld is het element goud (symbool Au): op grotere schaal is het geel en onoplosbaar in water; maar wanneer het wordt afgebroken tot nanoschaal, kan het rood, blauw of andere kleuren hebben, afhankelijk van de deeltjesgrootte. Kwantumstippen zijn halfgeleidernanodeeltjes met unieke optische eigenschappen: wanneer ze worden aangeslagen, zenden ze licht uit waarvan de kleur afhangt van de deeltjesgrootte. Kwantumstippen worden gebruikt in tv-schermen (QLED's), LED's en medische toepassingen zoals fluorescentiebeeldvorming voor de diagnose van ziekten.

Samen met mijn klasgenoten van de Pedagogische Universiteit van Hanoi

Wat zijn 1D- en 2D-materialen? Zijn alle materialen die we zien niet 3D? - De wereld die we waarnemen is een 3D-ruimtelijke wereld. Wanneer één dimensie veel groter is dan de andere twee dimensies, kan het object als eendimensionaal worden beschouwd - dat wil zeggen, een 1D-materiaal; of wanneer twee dimensies veel groter zijn dan de andere dimensie, wordt het object bijna als tweedimensionaal beschouwd - dat wil zeggen, 2D. Op nanoschaal hebben 1D- en 2D-materialen veel unieke eigenschappen omdat hun atoomstructuur beperkt is tot één of twee dimensies. Een 1D-materiaal zoals koolstofnanobuisjes (holle cilindrische buisjes met een diameter van <100 nanometer en een lengte die enkele micrometers of meer kan bedragen) heeft een extreem hoge partiële treksterkte en een goede elektrische en thermische geleidbaarheid. Nanodraden (met een diameter van <100 nm en een zeer grote lengte-diameterverhouding, gemaakt van verschillende materialen zoals metalen, halfgeleiders en metaaloxiden) kunnen worden toegepast in sensoren of elektronische componenten. Een 2D-materiaal zoals grafeen (met een dikte van één laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatstructuur) bezit zeer sterke mechanische eigenschappen, een goede elektrische en thermische geleidbaarheid en vormt de basis voor veel onderzoek en toepassingen in de elektronica, energie en transparante elektroden. Dankzij nanotechnologie ontwikkelen 1D- en 2D-materialen zich steeds verder en vinden ze uiteenlopende toepassingen, wat bijdraagt ​​aan een beter begrip van de fysieke wereld en baanbrekende technologische vooruitgang in de toekomst belooft.

Samen met collega's van ITIMS

Worden er, naarmate we materiële deeltjes verder afbreken, meer verrassingen en potentiële toepassingen ontdekt? Wat blijft er over als we deeltjes tot het absolute minimum reduceren? Dit is een fascinerende vraag die helpt om enkele fundamentele principes in de materiaalkunde en nanotechnologie te verduidelijken. Inderdaad, wanneer we materiële deeltjes tot op nanoschaal afbreken, komen er veel nieuwe en onverwachte eigenschappen aan het licht. Door deeltjes verder af te breken, naderen we het meest fundamentele niveau van materie, namelijk atomen en subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen, quarks, leptonen en bosonen – momenteel de kleinste bouwstenen van materialen. In de toekomst zullen er echter wellicht nog veel meer fundamentele deeltjes worden ontdekt of voorspeld. Dit is wat materiaalkundigen motiveert, want wetenschap kent geen eindpunt. Dit zijn ook de domeinen van romantiek, verbeelding en filosofie in de theoretische fysica.

Al sinds de oudheid zijn nanodeeltjes in talloze artefacten aangetroffen. Wat maakt nanomaterialen zo belangrijk voor de moderne samenleving? Nanomaterialen zijn van enorm belang voor de moderne samenleving, niet alleen vanwege hun kleine formaat, maar vooral vanwege hun unieke eigenschappen en brede scala aan potentiële toepassingen. Hoewel nanodeeltjes al sinds de oudheid bestaan ​​(de Lycurgusbeker zal bijvoorbeeld verschillende kleuren vertonen onder gereflecteerd of doorgelaten licht), is ons begrip van en onze beheersing ervan de afgelopen decennia enorm verbeterd, waardoor vele nieuwe en baanbrekende toepassingen op diverse gebieden mogelijk zijn geworden. Het vermogen om nanomaterialen te produceren en te beheersen is dan ook cruciaal. Nanotechnologie opent niet alleen nieuwe mogelijkheden voor huidige toepassingen, maar creëert ook baanbrekende kansen voor de toekomst en draagt ​​positief bij aan de wereldwijde economische en sociale ontwikkeling.

Samen met collega's van ITIMS in Ba Vi

Hoe zit het met supergeleidende materialen en hun toepassingen? Simpel gezegd is een supergeleidend materiaal een materiaal dat, wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt, constant blijft zonder degradatie of energieverlies. Supergeleidende materialen hebben veel verschillende toepassingen op gebieden zoals geneeskunde , energieoverdracht, magnetische levitatietreinen, deeltjesversnellers, enzovoort. Momenteel is het meest gebruikte apparaat met supergeleidende materialen de MRI-scanner (Magnetic Resonance Imaging), die supergeleidende magneten gebruikt om het sterke magnetische veld te creëren dat nodig is voor gedetailleerde beeldvorming van de binnenkant van het lichaam. Dankzij supergeleidende materialen werken MRI-scanners efficiënter en leveren ze beelden van hogere kwaliteit. Recentelijk heeft China met succes een magnetische levitatietrein met supergeleidende spoelen in een vacuümbuis getest, waarbij snelheden van meer dan 623 km/u werden bereikt (de ontwerpsnelheid zou 1000 km/u kunnen bereiken). De grootste uitdaging die de commercialisering en het wijdverspreide gebruik van supergeleidende materialen momenteel belemmert, is wellicht hun zeer lage bedrijfstemperatuur. Supergeleiding vereist het gebruik van complexe en dure koelsystemen, zoals vloeibaar helium (-269 °C) of vloeibare stikstof (-196 °C), om de temperatuur laag te houden. Andere uitdagingen zijn onder meer hoge productiekosten, geringe mechanische sterkte, complexe fabricagetechnologie, het vermogen om supergeleiding te behouden in sterke magnetische velden en de eis van supergeleiding onder hoge druk.

Overleg met collega's in het laboratorium.

Wat zijn de laatste ontwikkelingen in het onderzoek van de professor naar toepassingen van nanomaterialen? - Na ongeveer tien jaar fundamenteel onderzoek, met bepaalde successen op het gebied van nanomaterialen en sensoren, heeft onze groep besloten om onderzoek te doen naar geïntegreerde nanomaterialen voor toepassing in het IoT (Internet of Things) voor ademanalyse bij de diagnose van ziekten. Dit is echt een stap voorwaarts en toont duidelijk de interdisciplinaire geest in modern wetenschappelijk onderzoek aan. De combinatie van nanomaterialen, elektronische componenten en IoT opent niet alleen nieuwe mogelijkheden voor ziektediagnose, maar draagt ​​ook bij aan de ontwikkeling van geavanceerde medische technologieën en vele toepassingen in diverse sectoren zoals industrie, milieu en veiligheid. Ons idee ontstond in 2009 toen we een onderzoekspaper raadpleegden, gepubliceerd in Nature Nanotechnology door Hosam Haick (Israël), over de resultaten van "Diagnose van longkanker via ademanalyse met behulp van gouden nanodeeltjes". Het onderzoek van deze groep toonde aan dat door de ademanalyseresultaten van gezonde personen en longkankerpatiënten te vergelijken, het mogelijk is om longkankerpatiënten te identificeren.

Interactie met experts tijdens een evenement.

Ons vervolgonderzoek heeft geleid tot de ontwikkeling van halfgeleidergassensoren met nanomaterialen die een betere respons en lagere detectielimieten voor gasconcentraties bieden in vergelijking met gouden nanodeeltjes. Deze sensoren zijn volledig geschikt voor toepassingen in ademanalyse voor ziekteonderzoek en -diagnose. Deze onderzoeksrichting is toegepast in een project dat in 2019 werd gefinancierd door de Vingroup Innovation Foundation (VinIF). Een van de drijvende krachten achter ons vertrouwen om dit uitdagende project aan de VinIF Foundation voor te leggen, is de risicobereidheid van de stichting. Dankzij dit vooruitstrevende mechanisme hebben we, in plaats van een veilige onderzoeksrichting met gegarandeerde productresultaten voor te stellen, besloten een baanbrekend onderwerp aan te pakken, ook al bracht dit een hoog risico met zich mee. Het principe van dit onderzoek is dat bepaalde ziekten, zoals longkanker, astma, diabetes, enz., de stofwisselingsprocessen in het lichaam beïnvloeden, waardoor karakteristieke gassen (biomarkers) in de adem van de patiënt ontstaan ​​in verschillende concentraties. Deze biomarkers veranderen per ziektesoort. Gassensoren zijn ontworpen om deze biomarkers te identificeren en te analyseren, waardoor ziekten in een vroeg stadium kunnen worden opgespoord zonder invasieve methoden zoals biopsieën. De golf van microchips en halfgeleiderchips is populairder dan ooit. Volgens de professor, in welke richting zouden we van deze golf moeten profiteren? - Inderdaad, dit onderwerp is zeer actueel en staat centraal in veel onderzoek, ontwikkeling en toepassing van moderne technologie. De groei en vooruitgang op dit gebied bevorderen niet alleen de ontwikkeling van informatie- en communicatietechnologie, maar hebben ook een diepgaande impact op vele andere industrieën. Maar eerlijk gezegd is ons personeelsbestand in de halfgeleider- en microchipsector nog steeds te klein, met beperkte expertise. Bovendien ontbreekt het Vietnam momenteel aan een voldoende sterk halfgeleideronderzoekscentrum en een robuust halfgeleiderecosysteem. Naar mijn mening zou Vietnam moeten profiteren van de technologische boom in halfgeleiders en microchips door zich te richten op nichegebieden met concurrentiepotentieel, te investeren in R&D en de opleiding van personeel, een technologisch en ondersteunend industrieel ecosysteem op te bouwen en technologie toe te passen in belangrijke industrieën. Deze strategieën zullen Vietnam helpen duurzame ontwikkeling te bereiken en effectief te concurreren in de context van snel veranderende wereldwijde technologie. Dank u wel, professor!

Thanhnien.vn

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