Materialforsker Nguyen Duc Hoa: «Nanomaterialer er fascinerende!»

Har du som anvendt fysiker noen gang blitt fascinert av romantikken og filosofien i teoretisk fysikk? – Teoriens praktiske gjennomførbarhet og gjennomførbarhet er avgjørende fordi en teori kan åpne opp nye perspektiver på fysiske fenomener, noe som fører til nye teknologier som aldri før er vurdert. 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 fascinerende reise med oppdagelse og innovasjon. Å kombinere teoretisk og eksperimentell fysikk gir en omfattende og berikende opplevelse for fysikere. Jeg har alltid vært interessert i og motivert av teoretiske problemer i fysikk. Derfor har vår nyere forskning involvert 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.

Professor Dr. Nguyen Duc Hoa (til venstre) med sin inspirerende mentor – professor Dr. Nguyen Duc Chien

Professor, kan du enkelt forklare et av dine hovedforskningstemaer: hvorfor har nanomaterialer så mange uventede egenskaper? Nanomaterialer opererer på atom- og molekylnivå, der de vanlige fysiske lovene som gjelder for større størrelser ikke lenger gjelder, inkludert størrelseseffekter på nanoskala, forskjeller i forhold mellom overflate og volum, kvanteeffekter og sterke interaksjoner mellom atomer på nanoskala. Dette skaper nye fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper, noe som åpner for enorme potensielle bruksområder. Det er det som er appellen til nanomaterialer på mange felt, fra medisin og elektronikk til energi... Et slående eksempel er grunnstoffet gull (symbol Au): i større størrelser er det gult og uløselig i vann; men når det brytes ned til nanoskala, kan det være rødt, blått eller ha andre farger avhengig av partikkelstørrelsen. Kvanteprikker er halvleder-nanopartikler med unike optiske egenskaper: når de eksiteres, sender de ut lys hvis farge avhenger av partikkelstørrelsen. Kvanteprikker brukes i TV-skjermer (QLED), LED-er og medisinske applikasjoner som fluorescensavbildning for sykdomsdiagnose.

Sammen med klassekameratene mine fra Hanoi Pedagogical University

Hva er 1D- og 2D-materialer? Er ikke alle 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 endimensjonalt – det vil si et 1D-materiale; eller når to dimensjoner er mye større enn den andre dimensjonen, anses objektet nesten som todimensjonalt – det vil si 2D. På nanoskala har 1D- og 2D-materialer mange unike egenskaper fordi deres atomstruktur er begrenset til én eller to dimensjoner. Et 1D-materiale som karbonnanorør (hule sylindriske rør med en diameter <100 nanometer og en lengde som kan nå noen få mikrometer eller mer) har ekstremt høy delvis strekkfasthet og god elektrisk og termisk ledningsevne. Nanotråder (med en diameter <100 nm og et veldig stort lengde-til-diameter-forhold, laget av forskjellige materialer som metaller, halvledere og metalloksider) kan brukes i sensorer eller elektroniske komponenter. Et 2D-materiale som grafen (med en tykkelse på ett lag med karbonatomer arrangert i et bikakegitter) har svært sterke mekaniske egenskaper, god elektrisk og termisk ledningsevne, og danner grunnlaget for mye forskning 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.

Sammen med kolleger hos ITIMS

Jo mer vi bryter ned materialpartikler, desto flere overraskelser og potensielle bruksområder oppdager vi? Hva gjenstår hvis vi bryter ned partikler til det absolutte minimum? Dette er et fascinerende spørsmål som bidrar til å avklare noen grunnleggende prinsipper innen materialvitenskap og nanoteknologi. Når vi bryter ned materialpartikler til nanoskala, dukker det faktisk opp mange nye og uventede egenskaper. Ved å bryte ned partikler ytterligere, nærmer vi oss det mest grunnleggende nivået av materie, nemlig atomer og subatomære partikler som protoner, nøytroner, kvarker, leptoner og bosoner – for tiden de minste bestanddelene av materialer. Imidlertid kan mange flere grunnleggende partikler bli oppdaget eller spådd å eksistere i fremtiden. Dette er det som motiverer materialforskere, fordi vitenskapen ikke har noe sluttpunkt. Dette er også romantikkens, fantasiens og filosofiens rike i teoretisk fysikk.

Siden antikken har nanopartikler blitt funnet i mange gjenstander. Hva gjør nanomaterialer så viktige for det moderne samfunnet? Nanomaterialer er utrolig viktige for det moderne samfunnet, ikke bare på grunn av deres lille størrelse, men først og fremst på grunn av deres unike egenskaper og vidtrekkende potensielle bruksområder. Selv om nanopartikler har eksistert siden antikken (for eksempel vil Lycurgus-begeret ha forskjellige farger når det sees under reflektert eller transmittert lys), har vår forståelse og kontroll av dem utviklet seg dramatisk de siste tiårene, noe som har åpnet for mange nye og banebrytende bruksområder innen ulike 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.

Sammen med ITIMS-kollegaer i Ba Vi

Hva med superledende materialer og deres anvendelser? Enkelt sagt er et superledende materiale et materiale som, når en elektrisk strøm flyter gjennom det, vil forbli konstant uten degradering eller energitap. Superledende materialer har mange forskjellige anvendelser innen felt som medisin , kraftoverføring, magnetiske levitasjonstog, partikkelakseleratorer, osv. For tiden er den vanligste enheten som bruker superledende materialer magnetiske resonansavbildningsmaskiner (MR-maskiner), som bruker superledende magneter for å skape det sterke magnetfeltet som er nødvendig for detaljert avbildning av innsiden av kroppen. Takket være superledende materialer fungerer MR-maskiner mer effektivt og gir bilder av høyere kvalitet. Nylig testet Kina et magnetisk levitasjonstog med superledende spoler i et vakuumrør, og oppnådde hastigheter på over 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 deres svært lave driftstemperatur. Superledning krever bruk av komplekse og dyre kjølesystemer, som flytende helium (-269 °C) eller flytende nitrogen (-196 °C) for å opprettholde lave temperaturer. Andre utfordringer inkluderer høye produksjonskostnader, dårlig mekanisk styrke, kompleks fabrikasjonsteknologi, evnen til å opprettholde superledning i sterke magnetfelt og kravet om superledning under høyt trykk.

Diskuterer med kolleger på laboratoriet.

Hva er den siste utviklingen i professorens forskning på nanomaterialeanvendelser? - Etter omtrent 10 år med grunnforskning, med visse prestasjoner innen nanomaterialer og sensorer, bestemte gruppen vår seg for å undersøke integrerte nanomaterialer for anvendelse i IoT (Internet of Things) for pusteanalyse i sykdomsdiagnose. Dette er virkelig et skritt fremover 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 ulike felt som industri, miljø, sikkerhet... Ideen vår oppsto i 2009 da vi konsulterte en forskningsartikkel publisert i Nature Nanotechnology av Hosam Haick (Israel) om resultatene av "Diagnostisering av lungekreft gjennom pusten ved hjelp av gullnanopartikler". Denne gruppens forskning indikerer at ved å sammenligne resultatene av pusteanalyser hos friske individer og lungekreftpasienter, er det mulig å identifisere lungekreftpasienter.

Samhandle med eksperter på et arrangement.

Vår påfølgende forskning har resultert i utviklingen av halvledergassensorer ved bruk av nanomaterialer som gir bedre respons og lavere deteksjonsgrenser for gasskonsentrasjon sammenlignet med gullnanopartikler, og som er fullt ut i stand til å bli utviklet for applikasjoner innen pusteanalyse for sykdomsscreening og diagnose. Dette er en forskningsretning som ble anvendt i et prosjekt finansiert av Vingroup Innovation Foundation (VinIF) i 2019. En av drivkreftene bak vår tillit til å foreslå dette utfordrende prosjektet til VinIF Foundation er stiftelsens "risikotaking"-tilnærming. Takket være denne progressive mekanismen bestemte vi oss for å forfølge et banebrytende tema, selv om det medførte høy risiko, i stedet for å foreslå en sikker forskningsretning med garanterte produktresultater. Prinsippet for denne forskningen er at når mennesker lider av visse sykdommer som lungekreft, astma, diabetes osv., påvirker det de metabolske prosessene i kroppen, og dermed skaper karakteristiske gasser (biomarkører) i pasientens pust i forskjellige konsentrasjoner. Disse biomarkørene vil endre seg forskjellig for hver type sykdom. Gassensorer er designet for å identifisere og analysere disse biomarkørene, noe som bidrar til å oppdage sykdommer tidlig uten invasive metoder som biopsier. Bølgen av mikrobrikker og halvlederbrikker er hetere enn noensinne. Ifølge professoren, i hvilken retning bør vi dra nytte av denne bølgen? – Det stemmer, dette temaet er veldig hett og står i sentrum for mye forskning, utvikling og anvendelse av moderne teknologi. Veksten og fremskrittene på dette feltet fremmer ikke bare utviklingen av informasjons- og kommunikasjonsteknologi, men har også en betydelig innvirkning på mange andre bransjer. Men ærlig talt er vår halvleder- og mikrochip-arbeidsstyrke fortsatt for liten, med begrenset ekspertise. Videre mangler Vietnam for tiden et tilstrekkelig sterkt halvlederforskningssenter og et robust halvlederøkosystem. Etter min mening bør Vietnam kapitalisere på halvleder- og mikrochip-teknologiboomen ved å fokusere på nisjeområder med konkurransepotensial, investere i FoU og opplæring av menneskelige ressurser, bygge et teknologisk og støttende industrielt økosystem, og anvende teknologi i nøkkelindustrier. Disse strategiene vil hjelpe Vietnam med å oppnå bærekraftig utvikling og konkurrere effektivt i sammenheng med raskt skiftende global teknologi. Takk, professor!

Thanhnien.vn

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