Materialforskaren Nguyen Duc Hoa: "Nanomaterial är fascinerande!"

Har du som tillämpad fysiker någonsin fängslats av den teoretiska fysikens romantik och filosofi? - Teorins praktiska och genomförbara natur är avgörande eftersom en teori kan öppna upp nya perspektiv på fysikaliska fenomen, vilket leder till nya teknologier som aldrig tidigare övervägts. Abstrakta begrepp kan leda till praktiska tillämpningar inom nanoteknik, nya material, medicin och kvantinformation... Därför attraherar den teoretiska fysikens romantik och filosofi inte bara den tillämpade fysikens praktiska natur, utan kompletterar den också, vilket skapar en fascinerande upptäckts- och innovationsresa. Att kombinera teoretisk och experimentell fysik ger en omfattande och berikande upplevelse för fysiker. Jag har alltid varit intresserad av och motiverad av teoretiska problem inom fysiken. Det är därför vår senaste forskning har involverat samarbete mellan experimentalister och teoretiska och beräkningsmässiga forskare. Teorin lovar en fullständig förståelse av grundläggande principer, samt ger en omfattande grund från vilken nya perspektiv på fysikaliska fenomen kan öppnas.

Professor Dr. Nguyen Duc Hoa (vänster) med sin inspirerande mentor – professor Dr. Nguyen Duc Chien

Professor, kan du enkelt förklara ett av dina huvudsakliga forskningsämnen: varför har nanomaterial så många oväntade egenskaper? Nanomaterial verkar på atom- och molekylnivå, där de vanliga fysikaliska lagarna som gäller vid större storlekar inte längre gäller, inklusive storlekseffekter på nanoskala, skillnader i yt-till-volym-förhållanden, kvanteffekter och starka interaktioner mellan atomer på nanoskala. Detta skapar nya fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper, vilket öppnar upp för stora potentiella tillämpningar. Det är nanomaterialens dragningskraft inom många områden, från medicin och elektronik till energi... Ett slående exempel är grundämnet guld (symbol Au): vid större storlekar är det gult och olösligt i vatten; men när det bryts ner till nanoskala kan det vara rött, blått eller ha andra färger beroende på partikelstorleken. Kvantprickar är halvledande nanopartiklar med unika optiska egenskaper: när de exciteras avger de ljus vars färg beror på partikelstorleken. Kvantprickar används i TV-skärmar (QLED), lysdioder och medicinska tillämpningar såsom fluorescensavbildning för sjukdomsdiagnostik.

Tillsammans med mina klasskamrater från Hanois pedagogiska universitet

Vad är 1D- och 2D-material? Är inte alla material vi ser 3D? - Den värld vi uppfattar är en 3D-rumslig värld. När en dimension är mycket större än de andra två dimensionerna kan objektet betraktas som endimensionellt - det vill säga ett 1D-material; eller när två dimensioner är mycket större än den andra dimensionen betraktas objektet nästan som tvådimensionellt - det vill säga 2D. På nanoskala har 1D- och 2D-material många unika egenskaper eftersom deras atomstruktur är begränsad till en eller två dimensioner. Ett 1D-material som kolnanorör (ihåliga cylindriska rör med en diameter <100 nanometer och en längd som kan nå några mikrometer eller mer) har extremt hög partiell draghållfasthet och god elektrisk och termisk ledningsförmåga. Nanotrådar (med en diameter < 100 nm och ett mycket stort längd-till-diameter-förhållande, tillverkade av olika material som metaller, halvledare och metalloxider) kan appliceras i sensorer eller elektroniska komponenter. Ett 2D-material som grafen (med en tjocklek av ett lager kolatomer arrangerade i ett bikakegitter) har mycket starka mekaniska egenskaper, god elektrisk och termisk ledningsförmåga och utgör grunden för många forskningar och tillämpningar inom elektronik, energi och transparenta elektroder. Med nanoteknik utvecklas 1D- och 2D-material i allt större utsträckning och har olika tillämpningar, vilket bidrar till att utöka mänsklig förståelse av den fysiska världen och lovar banbrytande tekniska framsteg i framtiden.

Tillsammans med kollegor på ITIMS

Ju mer vi bryter ner materialpartiklar, desto fler överraskningar och potentiella tillämpningar upptäcker vi? Vad återstår om vi bryter ner partiklar till ett absolut minimum? Detta är en fascinerande fråga som hjälper till att klargöra några grundläggande principer inom materialvetenskap och nanoteknik. När vi bryter ner materialpartiklar till nanoskala uppstår faktiskt många nya och oväntade egenskaper. Genom att ytterligare bryta ner partiklar närmar vi oss den mest grundläggande nivån av materian, nämligen atomer och subatomära partiklar som protoner, neutroner, kvarkar, leptoner och bosoner – för närvarande de minsta beståndsdelarna i material. Men i framtiden kan många fler grundläggande partiklar upptäckas eller förutspås existera. Det är detta som motiverar materialforskare, eftersom vetenskapen inte har någon slutpunkt. Dessa är också romantikens, fantasins och filosofins sfärer inom teoretisk fysik.

Sedan antiken har nanopartiklar hittats i många artefakter. Vad gör nanomaterial så viktiga för det moderna samhället? Nanomaterial är otroligt viktiga för det moderna samhället, inte bara på grund av sin lilla storlek, utan främst på grund av deras unika egenskaper och breda potentiella tillämpningar. Även om nanopartiklar har funnits sedan antiken (till exempel har Lycurgus-bägaren olika färger när den ses i reflekterat eller transmitterat ljus), har vår förståelse och kontroll av dem utvecklats dramatiskt under de senaste decennierna, vilket öppnat upp många nya och banbrytande tillämpningar inom olika områden. Således är förmågan att tillverka och kontrollera nanomaterial nyckeln. Nanoteknik öppnar inte bara upp ny potential för nuvarande tillämpningar utan skapar också banbrytande möjligheter i framtiden, vilket bidrar positivt till den globala ekonomiska och sociala utvecklingen.

Tillsammans med ITIMS-kollegor i Ba Vi

Hur är det med supraledande material och deras tillämpningar? Enkelt uttryckt är ett supraledande material ett material som, när en elektrisk ström flyter genom det, förblir konstant utan nedbrytning eller energiförlust. Supraledande material har många olika tillämpningar inom områden som medicin , kraftöverföring, magnetiska levitationståg, partikelacceleratorer etc. För närvarande är den vanligaste enheten som använder supraledande material magnetiska resonanstomografiapparater (MRI), som använder supraledande magneter för att skapa det starka magnetfält som krävs för detaljerad avbildning av kroppens insida. Tack vare supraledande material fungerar MRI-apparater mer effektivt och ger bilder av högre kvalitet. Nyligen testade Kina framgångsrikt ett magnetiskt levitationståg med supraledande spolar i ett vakuumrör, vilket uppnådde hastigheter på över 623 km/h (designhastigheten kan nå 1 000 km/h). Den kanske största utmaningen som för närvarande hindrar kommersialiseringen och den utbredda användningen av supraledande material är deras mycket låga driftstemperatur. Supraledning kräver användning av komplexa och dyra kylsystem, såsom flytande helium (-269 °C) eller flytande kväve (-196 °C) för att bibehålla låga temperaturer. Andra utmaningar inkluderar höga produktionskostnader, dålig mekanisk hållfasthet, komplex tillverkningsteknik, förmågan att bibehålla supraledning i starka magnetfält och kravet på supraledning under högt tryck.

Diskuterar med kollegor i laboratoriet.

Vilka är de senaste framstegen inom professorns forskning om nanomaterialtillämpningar? - Efter cirka 10 års grundforskning, med vissa framsteg inom nanomaterial och sensorer, beslutade vår grupp att undersöka integrerade nanomaterial för tillämpning inom IoT (Internet of Things) för andningsanalys vid sjukdomsdiagnostik. Detta är verkligen ett steg framåt och visar tydligt den tvärvetenskapliga andan inom modern vetenskaplig forskning. Kombinationen av nanomaterial, elektroniska komponenter och IoT öppnar inte bara upp ny potential för sjukdomsdiagnostik utan bidrar också till utvecklingen av avancerad medicinsk teknik, eller många tillämpningar inom olika områden som industri, miljö, säkerhet... Vår idé uppstod 2009 när vi konsulterade en forskningsartikel publicerad i Nature Nanotechnology av Hosam Haick (Israel) om resultaten av "Diagnosera lungcancer genom andning med hjälp av guldnanopartiklar". Denna grupps forskning indikerar att genom att jämföra andningsanalysresultaten hos friska individer och lungcancerpatienter är det möjligt att identifiera lungcancerpatienter.

Interagera med experter på ett evenemang.

Vår efterföljande forskning har resulterat i skapandet av halvledargassensorer med hjälp av nanomaterial som erbjuder bättre respons och lägre detektionsgränser för gaskoncentration jämfört med guldnanopartiklar, och som är fullt kapabla att utvecklas för tillämpningar inom andningsanalys för sjukdomsscreening och diagnos. Detta är en forskningsinriktning som tillämpades i ett projekt som finansierades av Vingroup Innovation Foundation (VinIF) 2019. En av drivkrafterna bakom vårt förtroende att föreslå detta utmanande projekt till VinIF Foundation är stiftelsens "risktagande"-strategi. Tack vare denna progressiva mekanism, istället för att föreslå en säker forskningsinriktning med garanterade produktresultat, beslutade vi att driva ett banbrytande ämne, även om det medförde en hög risk. Principen för denna forskning är att när människor lider av vissa sjukdomar som lungcancer, astma, diabetes etc., påverkar det de metaboliska processerna i kroppen, vilket skapar karakteristiska gaser (biomarkörer) i patientens andedräkt vid olika koncentrationer. Dessa biomarkörer kommer att förändras olika för varje typ av sjukdom. Gassensorer är utformade för att identifiera och analysera dessa biomarkörer, vilket hjälper till att upptäcka sjukdomar tidigt utan invasiva metoder som biopsier. Vågen av mikrochips och halvledarchips är hetare än någonsin. Enligt professorn, i vilken riktning bör vi dra nytta av denna våg? - Just det, detta ämne är mycket hett och står i centrum för mycket forskning, utveckling och tillämpning av modern teknik. Tillväxten och framstegen inom detta område främjar inte bara utvecklingen av informations- och kommunikationsteknik utan har också en djupgående inverkan på många andra industrier. Men ärligt talat är vår arbetsstyrka inom halvledar- och mikrochipteknik fortfarande för liten, med begränsad expertis. Dessutom saknar Vietnam för närvarande ett tillräckligt starkt forskningscenter för halvledare och ett robust halvledarekosystem. Enligt min mening bör Vietnam dra nytta av halvledar- och mikrochipteknikboomen genom att fokusera på nischområden med konkurrenspotential, investera i FoU och utbildning av personal, bygga ett teknik- och stödjande industriellt ekosystem och tillämpa teknik inom viktiga industrier. Dessa strategier kommer att hjälpa Vietnam att uppnå hållbar utveckling och konkurrera effektivt i samband med snabbt föränderlig global teknik. Tack, professor!

Thanhnien.vn

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