Ученый-материаловед Нгуен Дык Хоа: «Наноматериалы — это нечто невероятное!»

Как физик-прикладник, вас когда-нибудь захватывала романтика и философия теоретической физики? – Практичность и осуществимость теории имеют решающее значение, поскольку теория может открыть новые перспективы в изучении физических явлений, приводя к появлению новых технологий, которые ранее не рассматривались. Абстрактные концепции могут привести к практическим применениям в нанотехнологиях, новых материалах, медицине и квантовой информации… Поэтому романтика и философия теоретической физики не только привлекают, но и дополняют практичность прикладной физики, создавая увлекательное путешествие открытий и инноваций. Сочетание теоретической и экспериментальной физики обеспечивает физикам всесторонний и обогащающий опыт. Меня всегда интересовали и мотивировали теоретические проблемы в физике. Именно поэтому наши недавние исследования включали сотрудничество между экспериментаторами и исследователями в области теории и вычислительной физики. Теория обещает полное понимание фундаментальных принципов, а также обеспечивает всестороннюю основу, с которой могут быть открыты новые перспективы в изучении физических явлений.

Профессор Нгуен Дык Хоа (слева) со своим вдохновляющим наставником – профессором Нгуен Дык Чиеном.

Профессор, не могли бы вы простыми словами объяснить одну из ваших главных тем исследований: почему наноматериалы обладают таким множеством неожиданных свойств? Наноматериалы работают на атомном и молекулярном уровнях, где обычные физические законы, применимые к большим размерам, больше не действуют, включая размерные эффекты на наномасштабе, различия в соотношении площади поверхности к объему, квантовые эффекты и сильные взаимодействия между атомами на наномасштабе. Это создает новые физические, химические и биологические свойства, открывая огромные потенциальные возможности применения. В этом и заключается привлекательность наноматериалов во многих областях, от медицины и электроники до энергетики… Яркий пример — элемент золото (символ Au): в больших размерах оно желтое и нерастворимо в воде; но при разложении до наномасштаба оно может быть красным, синим или других цветов в зависимости от размера частицы. Квантовые точки — это полупроводниковые наночастицы с уникальными оптическими свойствами: при возбуждении они излучают свет, цвет которого зависит от размера частицы. Квантовые точки используются в телевизионных дисплеях (QLED), светодиодах и в медицинских приложениях, таких как флуоресцентная визуализация для диагностики заболеваний.

Вместе с моими однокурсниками из Ханойского педагогического университета.

Что такое одномерные и двумерные материалы? Разве все материалы, которые мы видим, не трехмерны? — Мир, который мы воспринимаем, — это трехмерный пространственный мир. Когда одно измерение значительно больше двух других, объект можно считать одномерным — то есть одномерным материалом; или когда два измерения значительно больше другого, объект почти считается двумерным — то есть двумерным. На наномасштабе одномерные и двумерные материалы обладают множеством уникальных свойств, поскольку их атомная структура ограничена одним или двумя измерениями. Одномерный материал, такой как углеродные нанотрубки (полые цилиндрические трубки диаметром <100 нанометров и длиной, достигающей нескольких микрометров и более), обладает чрезвычайно высокой частичной прочностью на растяжение и хорошей электрической и тепловой проводимостью. Нанопроволоки (диаметром <100 нм и очень большим отношением длины к диаметру, изготовленные из различных материалов, таких как металлы, полупроводники и оксиды металлов) могут применяться в датчиках или электронных компонентах. Двумерный материал, такой как графен (толщиной в один слой, состоящий из атомов углерода, расположенных в виде сотовой решетки), обладает очень высокими механическими свойствами, хорошей электрической и тепловой проводимостью и лежит в основе многих исследований и применений в электронике, энергетике и прозрачных электродах. Благодаря нанотехнологиям, одномерные и двумерные материалы все активнее развиваются и находят разнообразные применения, способствуя расширению понимания человеком физического мира и обещая прорывные технологические достижения в будущем.

Вместе с коллегами из ITIMS

Чем глубже мы расщепляем материальные частицы, тем больше сюрпризов и потенциальных применений мы обнаруживаем? Что останется, если мы расщепим частицы до абсолютного минимума? Это увлекательный вопрос, который помогает прояснить некоторые фундаментальные принципы материаловедения и нанотехнологий. Действительно, когда мы расщепляем материальные частицы до наноразмера, появляется множество новых и неожиданных свойств. Дальнейшее расщепление частиц приближает нас к самому фундаментальному уровню материи, а именно к атомам и субатомным частицам, таким как протоны, нейтроны, кварки, лептоны и бозоны — в настоящее время это мельчайшие составляющие материи. Однако в будущем может быть обнаружено или предсказано существование гораздо большего числа фундаментальных частиц. Именно это мотивирует материаловедов, потому что у науки нет конечной точки. Это также области романтики, воображения и философии в теоретической физике.

С древних времен наночастицы обнаруживались во многих артефактах. Что делает наноматериалы столь важными для современного общества? Наноматериалы невероятно важны для современного общества не только из-за их малого размера, но прежде всего из-за их уникальных свойств и широкого спектра потенциальных применений. Хотя наночастицы существовали с древних времен (например, чаша Ликурга будет иметь разные цвета при просмотре в отраженном или проходящем свете), наше понимание и контроль над ними значительно продвинулись за последние десятилетия, открывая множество новых и новаторских применений в различных областях. Таким образом, способность изготавливать и контролировать наноматериалы является ключом к успеху. Нанотехнологии не только открывают новые возможности для существующих применений, но и создают прорывные возможности в будущем, внося позитивный вклад в глобальное экономическое и социальное развитие.

Вместе с коллегами из ITIMS в Ба Ви

Что можно сказать о сверхпроводящих материалах и их применении? Проще говоря, сверхпроводящий материал — это материал, который при протекании через него электрического тока остается неизменным без деградации или потери энергии. Сверхпроводящие материалы находят широкое применение в таких областях, как медицина , передача энергии, поезда на магнитной левитации, ускорители частиц и т. д. В настоящее время наиболее распространенным устройством, использующим сверхпроводящие материалы, являются аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ), которые используют сверхпроводящие магниты для создания сильного магнитного поля, необходимого для детальной визуализации внутренних органов. Благодаря сверхпроводящим материалам аппараты МРТ работают более эффективно и обеспечивают более высокое качество изображений. Недавно Китай успешно протестировал поезд на магнитной левитации со сверхпроводящими катушками в вакуумной трубе, достигнув скорости более 623 км/ч (расчетная скорость может достигать 1000 км/ч). Возможно, самой большой проблемой, препятствующей коммерциализации и широкому использованию сверхпроводящих материалов, является их очень низкая рабочая температура. Для поддержания сверхпроводимости необходимы сложные и дорогостоящие системы охлаждения, такие как жидкий гелий (-269°C) или жидкий азот (-196°C). К другим проблемам относятся высокие производственные затраты, низкая механическая прочность, сложная технология изготовления, способность поддерживать сверхпроводимость в сильных магнитных полях и необходимость обеспечения сверхпроводимости при высоком давлении.

Обсуждение с коллегами в лаборатории.

Каковы последние достижения профессора в области применения наноматериалов? - После примерно 10 лет фундаментальных исследований, в ходе которых были достигнуты определенные успехи в области наноматериалов и датчиков, наша группа решила исследовать интегрированные наноматериалы для применения в Интернете вещей (IoT) для анализа дыхания в диагностике заболеваний. Это действительно шаг вперед и наглядно демонстрирует междисциплинарный дух в современных научных исследованиях. Сочетание наноматериалов, электронных компонентов и IoT не только открывает новые возможности для диагностики заболеваний, но и способствует развитию передовых медицинских технологий, а также множеству применений в различных областях, таких как промышленность, охрана окружающей среды, безопасность… Наша идея зародилась в 2009 году, когда мы ознакомились с исследовательской статьей Хосама Хайка (Израиль), опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, о результатах исследования «Диагностика рака легких по дыханию с использованием золотых наночастиц». Исследование этой группы показывает, что, сравнивая результаты анализа дыхания здоровых людей и пациентов с раком легких, можно идентифицировать больных раком легких.

Взаимодействие с экспертами на мероприятии.

В результате наших последующих исследований были созданы полупроводниковые газовые датчики с использованием наноматериалов, которые обеспечивают лучшую чувствительность и более низкие пределы обнаружения концентрации газа по сравнению с золотыми наночастицами, и полностью пригодны для применения в анализе дыхания для скрининга и диагностики заболеваний. Это направление исследований было реализовано в рамках проекта, финансируемого Инновационным фондом Vingroup (VinIF) в 2019 году. Одной из движущих сил, обуславливающих нашу уверенность в предложении этого сложного проекта Фонду VinIF, является «рискованный» подход Фонда. Благодаря этому прогрессивному механизму, вместо того, чтобы предлагать безопасное направление исследований с гарантированными результатами, мы решили заняться новаторской темой, даже если она сопряжена с высоким риском. Принцип этого исследования заключается в том, что когда люди страдают от определенных заболеваний, таких как рак легких, астма, диабет и т. д., это влияет на метаболические процессы в организме, создавая тем самым характерные газы (биомаркеры) в дыхании пациента в различных концентрациях. Эти биомаркеры будут изменяться по-разному для каждого типа заболевания. Газовые датчики предназначены для идентификации и анализа этих биомаркеров, помогая выявлять заболевания на ранних стадиях без инвазивных методов, таких как биопсия. Волна развития микрочипов и полупроводниковых чипов сейчас на пике. По словам профессора, в каком направлении нам следует использовать эту волну? – Верно, эта тема очень актуальна и находится в центре многих исследований, разработок и применения современных технологий. Рост и прогресс в этой области не только способствуют развитию информационных и коммуникационных технологий, но и оказывают глубокое влияние на многие другие отрасли. Но, честно говоря, наша рабочая сила в области полупроводников и микрочипов все еще слишком мала, а квалификация ограничена. Кроме того, во Вьетнаме в настоящее время отсутствует достаточно сильный научно-исследовательский центр полупроводников и развитая полупроводниковая экосистема. На мой взгляд, Вьетнаму следует извлечь выгоду из технологического бума в области полупроводников и микрочипов, сосредоточившись на нишевых областях с конкурентным потенциалом, инвестируя в НИОКР и подготовку кадров, создавая технологическую и поддерживающую промышленную экосистему и применяя технологии в ключевых отраслях. Эти стратегии помогут Вьетнаму достичь устойчивого развития и эффективно конкурировать в условиях быстро меняющихся глобальных технологий. Спасибо, профессор!

Thanhnien.vn

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