Materialforsker Nguyen Duc Hoa: «Nanomaterialer er så interessante!»

Har du som anvendt fysiker noen gang blitt «fascinert» av romantikken og filosofien i teoretisk fysikk? – Teoriens praktiske gjennomførbarhet og gjennomførbarhet er svært viktig fordi en teori kan åpne opp nye perspektiver på fysiske fenomener, noe som fører til nye teknologier som aldri har blitt tenkt på. Abstrakte konsepter kan føre til praktiske anvendelser innen nanoteknologi, nye materialer, medisin og kvanteinformasjon... Derfor tiltrekker ikke bare romantikken og filosofien i teoretisk fysikk seg, men komplementerer også den praktiske gjennomførbarheten i anvendt fysikk, og skaper en spennende reise med oppdagelse og kreativitet. Å kombinere teoretisk fysikk og eksperimentell fysikk vil gi fysikere en omfattende og rik erfaring. Jeg har alltid vært interessert i og motivert av teoretiske problemer i fysikk. Derfor har det i våre nyere studier vært samarbeid mellom eksperimentalister og teoretiske og beregningsmessige forskere. Teorien lover en fullstendig forståelse av grunnleggende prinsipper, samt gir et omfattende grunnlag som nye perspektiver på fysiske fenomener kan åpnes fra.

Prof. Dr. Nguyen Duc Hoa (til venstre) med sin inspirerende lærer - Prof. Dr. Folkelærer Nguyen Duc Chien

Professor, kan du på en lettfattelig måte forklare et av dine hovedforskningstemaer: hvorfor har nanomaterialer så mange overraskende egenskaper? – Nanomaterialer opererer på atom- og molekylært nivå, der de fysiske lovene som vanligvis finnes i store størrelser ikke lenger gjelder, inkludert størrelseseffekter på nanoskala, forskjeller i overflate/volum-forhold, kvanteeffekter og sterke interaksjoner mellom atomer på nanoskala. Dette skaper nye fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper, og åpner for et bredt spekter av potensielle bruksområder. Det er det interessante med nanomaterialer innen mange felt som medisin, elektronikk, energi... Et spesielt eksempel er grunnstoffet gull (symbol Au): når det er i store størrelser er det gult og uløselig i vann; men når det brytes ned til nanostørrelse, kan det være rødt, blått eller andre farger avhengig av partikkelstørrelsen. Kvanteprikker er halvleder-nanopartikler med spesielle optiske egenskaper: når de eksiteres, sender de ut lys hvis farge avhenger av partikkelstørrelsen. Kvanteprikker brukes i TV-skjermer (QLED), LED-lys og medisinske applikasjoner som avbildning av fluorescerende markører for sykdomsdiagnose.

Med studenter fra Hanoi nasjonale utdanningsuniversitet

Hva er 1D- og 2D-materialer? Er ikke materialene vi ser 3D? – Verden vi oppfatter er en 3D-romlig verden. Når én dimensjon er mye større enn de to andre dimensjonene, kan objektet betraktes som 1-dimensjonalt – det vil si et 1D-materiale; eller når to dimensjoner er mye større enn den andre dimensjonen, er objektet nesten 2-dimensjonalt – det vil si 2D. På nanoskala har 1D- og 2D-materialer mange unike egenskaper fordi deres atomstruktur er begrenset til 1 eller 2 dimensjoner. Et 1D-materiale som karbonnanorør (hule sylindriske rør med diametere <100 nanometer og lengder på opptil flere mikrometer eller mer) har ekstremt høy delvis strekkfasthet og god elektrisk og termisk ledningsevne. En nanotråd (med en diameter < 100 nm og et veldig stort lengde/diameter-forhold, kan lages av mange forskjellige materialer som metaller, halvledere og metalloksider ... kan brukes i sensorer eller elektroniske komponenter. Et 2D-materiale som grafen (med et lag av karbonatomer arrangert i et bikakenettverk) har svært sterke mekaniske egenskaper, god elektrisk og termisk ledningsevne, og er grunnlaget for mange studier og anvendelser innen elektronikk, energi og transparente elektroder ... Med nanoteknologi utvikles 1D- og 2D-materialer i økende grad og har ulike anvendelser, noe som bidrar til å utvide menneskelig forståelse av den fysiske verden og lover banebrytende teknologiske fremskritt i fremtiden.

Med kolleger hos ITIMS

Er det sant at jo mindre partiklene i materialer er, desto flere overraskelser og potensielle bruksområder finnes det? Hvis vi deler partiklene helt til siste slutt, hva vil vi ha igjen? – Dette spørsmålet er veldig interessant og bidrar til å avklare noen grunnleggende prinsipper innen materialvitenskap og nanoteknologi. Når vi deler materialpartikler i nanostørrelse, dukker det faktisk opp mange nye og overraskende egenskaper. Etter hvert som vi fortsetter å dele partikler, vil vi nærme oss det mest grunnleggende nivået av materie, det vil si atomer og subatomære partikler som protoner, nøytroner, kvarker, leptoner og bosoner – som for tiden er de minste bestanddelene av materialer. Imidlertid er det i fremtiden mulig at mer grunnleggende partikler vil bli funnet, eller spådd å eksistere. Det er drivkraften for materialforskere, fordi vitenskapen ikke har noen ende. Dette er også romantikkens, fantasiens og filosofiens rike i teoretisk fysikk.

Siden antikken har folk oppdaget nanopartikler i mange gjenstander. Hva gjør nanomaterialer så viktige for det moderne samfunnet? - Nanomaterialer har blitt ekstremt viktige for dagens samfunn, ikke bare på grunn av sin lille størrelse, men hovedsakelig på grunn av deres unike egenskaper og brede spekter av potensielle bruksområder. Selv om nanopartikler har eksistert siden antikken (f.eks. vil Lycurgus-koppen ha forskjellige farger når den sees under reflektert eller transmittert lys), har forståelsen og kontrollen av dem utviklet seg mye de siste tiårene, noe som har åpnet for mange nye og banebrytende bruksområder på mange felt. Dermed er evnen til å produsere og kontrollere nanomaterialer nøkkelen. Nanoteknologi åpner ikke bare for nytt potensial for nåværende bruksområder, men skaper også banebrytende muligheter i fremtiden, og bidrar positivt til global økonomisk og sosial utvikling.

Med ITIMS-kollegaer i Ba Vi

Hva med superledende materialer og deres bruksområder? – Superledende materialer er, enkelt sagt, materialer som, når en elektrisk strøm passerer gjennom dem, vil vare evig uten å redusere eller miste energi. Superledende materialer har mange forskjellige bruksområder innen felt som medisin , kraftoverføring, magnetiske levitasjonstog, partikkelakseleratorer, osv. For tiden er den mest populære enheten som bruker superledende materialer magnetiske resonansavbildningsmaskiner (MR) som bruker superledende magneter for å skape det sterke magnetfeltet som trengs for detaljert avbildning inne i kroppen. Takket være superledende materialer fungerer MR-maskiner mer effektivt og gir bilder av høyere kvalitet. Nylig har Kina testet et tog som kjører på magnetisk levitasjon av superledende spoler i et vakuumrør, og oppnådd hastigheter på opptil 623 km/t (designhastigheten kan nå 1000 km/t). Den kanskje største utfordringen som for tiden hindrer kommersialisering og utbredt bruk av superledende materialer er den svært lave driftstemperaturen. Superledning krever bruk av komplekse og dyre kjølesystemer, som for eksempel bruk av flytende helium (-269 °C) eller flytende nitrogen (-196 °C) for å opprettholde lave temperaturer. Andre utfordringer inkluderer høye produksjonskostnader, dårlig mekanisk holdbarhet, komplekse fabrikasjonsteknikker, evnen til å opprettholde superledende tilstand i sterke magnetfelt, eller kravet om superledende tilstand under høyt trykk.

Snakker med kolleger på laboratoriet

Hva er den nye utviklingen i professorens forskning på anvendelsen av nanomaterialer? - Etter omtrent 10 år med grunnforskning, med visse prestasjoner innen nanomaterialer og sensorer, bestemte gruppen vår seg for å undersøke integrerte nanomaterialer for anvendelser innen IoT (Internet of Things) for pusteanalyse for å diagnostisere sykdommer. Dette er virkelig et utviklingssteg og demonstrerer tydelig den tverrfaglige ånden i moderne vitenskapelig forskning. Kombinasjonen av nanomaterialer, elektroniske komponenter og IoT åpner ikke bare for nye potensialer for sykdomsdiagnose, men bidrar også til utviklingen av avansert medisinsk teknologi, eller mange anvendelser innen forskjellige felt som industri, miljø, sikkerhet... Ideen vår ble dannet i 2009 med henvisning til forskningsarbeidet i tidsskriftet Nature Nanotechnology ledet av Hosam Haick (Israel) publisert om resultatene av "Diagnosing lung cancer through breath using gold nanopartikels". Denne gruppens forskning viser at ved å sammenligne resultatene av pusteanalyser hos friske mennesker og lungekreftpasienter, er det mulig å identifisere lungekreftpasienter.

Snakk med en ekspert på et arrangement

Vår påfølgende forskning har skapt en halvledergassensor ved bruk av nanomaterialer som kan gi bedre respons, lavere deteksjonsgrenser for gasskonsentrasjon enn gull-nano, og som kan utvikles fullstendig for anvendelse i pusteanalyse for sykdomsscreening og diagnose. Dette er den anvendte forskningsretningen i et prosjekt finansiert av Vingroup Innovation Foundation (VinIF) i 2019. En av motivasjonene for at vi trygt kan foreslå dette utfordrende prosjektet til VinIF, er stiftelsens "risikotakende" natur. Takket være denne progressive mekanismen er vi, i stedet for å foreslå en trygg forskningsretning med et sikkert produkt, fast bestemt på å gjøre et banebrytende tema, til tross for den potensielt høye risikoen. Prinsippet bak denne forskningen er at når folk lider av visse sykdommer som lungekreft, astma, diabetes osv., vil det påvirke kroppens metabolisme, og dermed skape karakteristiske gasser (biologiske markører) med forskjellige konsentrasjoner i pasientens pust. Disse biologiske markørene vil endre seg forskjellig for hver type sykdom. Gassensorer er designet for å identifisere og analysere biologiske markører, noe som bidrar til å oppdage sykdommer tidlig uten invasive metoder som biopsi. Bølgen av mikrobrikker og halvlederbrikker blir hetere enn noensinne. I hvilken retning bør vi, ifølge professoren, dra nytte av denne bølgen? – Ja, dette temaet er veldig hett og er sentrum for mye forskning, utvikling og anvendelse av moderne teknologi. Vekst og fremskritt på dette feltet fremmer ikke bare utviklingen av informasjons- og kommunikasjonsteknologi, men har også en betydelig innvirkning på mange andre bransjer. Men for å være ærlig, er vårt halvleder- og mikrochipteam fortsatt for lite, med begrenset ekspertise. I tillegg har vi i Vietnam i dag ikke et sterkt nok forskningssenter for halvledere, og mangler også et halvlederøkosystem. Etter min mening bør Vietnam dra nytte av bølgen av halvleder- og mikrochipteknologiutvikling ved å fokusere på nisjeområder med konkurransepotensial, investere i FoU og opplæring av menneskelige ressurser, bygge et teknologiøkosystem og støtte industrier, og anvende teknologi i nøkkelindustrier. Disse strategiene vil hjelpe Vietnam med å utvikle seg bærekraftig og konkurrere effektivt i den raskt skiftende globale teknologikonteksten. Takk, professor!

Thanhnien.vn

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