Вчений-матеріалознавець Нгуєн Дик Хоа: «Наноматеріали захоплюють!»

Як фізик-прикладний, чи захоплювалися ви коли-небудь романтизмом та філософією теоретичної фізики? - Практичність та доцільність теорії мають вирішальне значення, оскільки теорія може відкрити нові перспективи на фізичні явища, що призводить до нових технологій, які раніше ніколи не розглядалися. Абстрактні концепції можуть призвести до практичного застосування в нанотехнологіях, нових матеріалах, медицині та квантовій інформації… Тому романтизм та філософія теоретичної фізики не лише приваблюють, але й доповнюють практичність прикладної фізики, створюючи захопливу подорож відкриттів та інновацій. Поєднання теоретичної та експериментальної фізики забезпечує всебічний та збагачуючий досвід для фізиків. Мене завжди цікавили та мотивували теоретичні проблеми у фізиці. Саме тому наші нещодавні дослідження передбачали співпрацю між експериментаторами та дослідниками-теоретиками та обчислювальними дослідниками. Теорія обіцяє повне розуміння фундаментальних принципів, а також забезпечує всебічну основу, з якої можна відкрити нові перспективи на фізичні явища.

Професор доктор Нгуєн Дик Хоа (ліворуч) зі своїм натхненним наставником – професором доктором Нгуєн Дик Чієном

Професоре, чи не могли б ви пояснити простими словами одну з ваших основних тем дослідження: чому наноматеріали мають так багато неочікуваних властивостей? Наноматеріали діють на атомному та молекулярному рівнях, де звичайні фізичні закони, що застосовуються при більших розмірах, більше не діють, включаючи ефекти розміру на нанорівні, відмінності у співвідношенні поверхні до об'єму, квантові ефекти та сильні взаємодії між атомами на нанорівні. Це створює нові фізичні, хімічні та біологічні властивості, відкриваючи величезний потенціал застосування. У цьому полягає привабливість наноматеріалів у багатьох галузях, від медицини та електроніки до енергетики… Яскравим прикладом є елемент золото (символ Au): при більших розмірах воно жовте та нерозчинне у воді; але при розкладанні на нанорівень воно може бути червоного, синього або інших кольорів залежно від розміру частинок. Квантові точки - це напівпровідникові наночастинки з унікальними оптичними властивостями: при збудженні вони випромінюють світло, колір якого залежить від розміру частинок. Квантові точки використовуються в телевізійних дисплеях (QLED), світлодіодах та медичних застосуваннях, таких як флуоресцентна візуалізація для діагностики захворювань.

Разом з моїми однокласниками з Ханойського педагогічного університету

Що таке 1D та 2D матеріали? Хіба не всі матеріали, які ми бачимо, є 3D? - Світ, який ми сприймаємо, - це 3D просторовий світ. Коли один вимір набагато більший за два інші виміри, об'єкт можна вважати одновимірним - тобто 1D матеріалом; або коли два виміри набагато більші за інший вимір, об'єкт майже вважається двовимірним - тобто 2D. На нанорівні 1D та 2D матеріали мають багато унікальних властивостей, оскільки їхня атомна структура обмежена одним або двома вимірами. 1D матеріал, такий як вуглецеві нанотрубки (порожнисті циліндричні трубки діаметром <100 нанометрів та довжиною, яка може досягати кількох мікрометрів або більше), має надзвичайно високу часткову міцність на розтяг та добру електро- та теплопровідність. Нанодроти (з діаметром <100 нм та дуже великим співвідношенням довжини до діаметра, виготовлені з різних матеріалів, таких як метали, напівпровідники та оксиди металів) можуть застосовуватися в датчиках або електронних компонентах. Двовимірний матеріал, такий як графен (з товщиною одного шару атомів вуглецю, розташованих у вигляді стільникової решітки), має дуже сильні механічні властивості, добру електро- та теплопровідність і є основою для багатьох досліджень і застосувань в електроніці, енергетиці та прозорих електродах. Завдяки нанотехнологіям одновимірні та двовимірні матеріали дедалі більше розвиваються та мають різноманітне застосування, сприяючи розширенню людського розуміння фізичного світу та обіцяючи новаторські технологічні досягнення в майбутньому.

Разом з колегами з ITIMS

Чи чим далі ми розбиваємо матеріальні частинки, тим більше сюрпризів та потенційних застосувань ми відкриваємо? Що залишається, якщо ми розбиваємо частинки до абсолютного мінімуму? Це захопливе питання, яке допомагає прояснити деякі фундаментальні принципи матеріалознавства та нанотехнологій. Дійсно, коли ми розбиваємо матеріальні частинки до нанорівня, виникає багато нових та несподіваних властивостей. Подальше розбиваючи частинки, ми наближаємося до найфундаментальнішого рівня матерії, а саме до атомів та субатомних частинок, таких як протони, нейтрони, кварки, лептони та бозони – наразі найменші складові одиниці матеріалів. Однак у майбутньому може бути відкрито або передбачено існування набагато більшої кількості фундаментальних частинок. Саме це мотивує вчених-матеріалознавців, тому що наука не має кінцевої точки. Це також сфера романтики, уяви та філософії в теоретичній фізиці.

З давніх часів наночастинки були знайдені в багатьох артефактах. Що робить наноматеріали такими важливими для сучасного суспільства? Наноматеріали неймовірно важливі для сучасного суспільства не лише через свій малий розмір, але й, перш за все, через свої унікальні властивості та широкий спектр потенційних застосувань. Хоча наночастинки існують з давніх часів (наприклад, чаша Лікурга матиме різні кольори, якщо дивитися на неї у відбитому або прохідному світлі), наше розуміння та контроль над ними значно просунулися за останні десятиліття, відкривши багато нових та новаторських застосувань у різних галузях. Таким чином, здатність виготовляти та контролювати наноматеріали є ключовою. Нанотехнології не лише відкривають новий потенціал для поточних застосувань, але й створюють проривні можливості в майбутньому, позитивно сприяючи глобальному економічному та соціальному розвитку.

Разом з колегами з ITIMS у Ба Ві

А як щодо надпровідних матеріалів та їх застосування? Простіше кажучи, надпровідний матеріал – це матеріал, який, коли через нього протікає електричний струм, залишається постійним без деградації чи втрати енергії. Надпровідні матеріали мають багато різних застосувань у таких галузях, як медицина , передача енергії, магнітно-левітаційні поїзди, прискорювачі частинок тощо. Наразі найпоширенішим пристроєм, що використовує надпровідні матеріали, є апарати магнітно-резонансної томографії (МРТ), які використовують надпровідні магніти для створення сильного магнітного поля, необхідного для детальної візуалізації внутрішньої частини тіла. Завдяки надпровідним матеріалам апарати МРТ працюють ефективніше та забезпечують зображення вищої якості. Нещодавно Китай успішно випробував магнітно-левітаційний поїзд з надпровідними котушками у вакуумній трубці, досягнувши швидкості понад 623 км/год (розрахункова швидкість може досягати 1000 км/год). Мабуть, найбільшою проблемою, яка наразі перешкоджає комерціалізації та широкому використанню надпровідних матеріалів, є їх дуже низька робоча температура. Надпровідність вимагає використання складних і дорогих систем охолодження, таких як рідкий гелій (-269°C) або рідкий азот (-196°C), для підтримки низьких температур. Інші проблеми включають високі виробничі витрати, низьку механічну міцність, складну технологію виготовлення, здатність підтримувати надпровідність у сильних магнітних полях та вимогу надпровідності під високим тиском.

Обговорення з колегами в лабораторії.

Які останні розробки в дослідженнях професора щодо застосування наноматеріалів? - Після приблизно 10 років фундаментальних досліджень, з певними досягненнями в галузі наноматеріалів та сенсорів, наша група вирішила дослідити інтегровані наноматеріали для застосування в Інтернеті речей (IoT) для аналізу дихання в діагностиці захворювань. Це справді крок вперед і чітко демонструє міждисциплінарний дух у сучасних наукових дослідженнях. Поєднання наноматеріалів, електронних компонентів та Інтернету речей не тільки відкриває новий потенціал для діагностики захворювань, але й сприяє розвитку передових медичних технологій або багатьох застосувань у різних галузях, таких як промисловість, навколишнє середовище, безпека… Наша ідея виникла у 2009 році, коли ми ознайомилися з дослідницькою статтею, опублікованою в Nature Nanotechnology Хосамом Хайком (Ізраїль), про результати "Діагностика раку легень через дихання з використанням наночастинок золота". Дослідження цієї групи показує, що, порівнюючи результати аналізу дихання здорових людей та пацієнтів з раком легень, можна ідентифікувати пацієнтів з раком легень.

Взаємодія з експертами на заході.

Наші подальші дослідження призвели до створення напівпровідникових газових сенсорів з використанням наноматеріалів, які пропонують кращу чутливість та нижчі межі виявлення концентрації газу порівняно з наночастинками золота, і цілком придатні для розробки для застосування в аналізі дихання для скринінгу та діагностики захворювань. Цей напрямок дослідження був застосований у проекті, що фінансується Фондом інновацій Vingroup (VinIF) у 2019 році. Однією з рушійних сил нашої впевненості в пропозиції цього складного проекту Фонду VinIF є підхід Фонду до «ризику». Завдяки цьому прогресивному механізму, замість того, щоб пропонувати безпечний напрямок дослідження з гарантованими результатами, ми вирішили розглянути новаторську тему, навіть якщо вона несе високий ризик. Принцип цього дослідження полягає в тому, що коли люди страждають від певних захворювань, таких як рак легенів, астма, діабет тощо, це впливає на метаболічні процеси в організмі, тим самим створюючи характерні гази (біомаркери) у диханні пацієнта при різних концентраціях. Ці біомаркери змінюватимуться по-різному для кожного типу захворювання. Газові сенсори призначені для ідентифікації та аналізу цих біомаркерів, допомагаючи виявляти захворювання на ранній стадії без інвазивних методів, таких як біопсія. Хвиля мікрочіпів та напівпровідникових чіпів гарячіша, ніж будь-коли. На думку професора, в якому напрямку нам слід скористатися цією хвилею? - Так, ця тема дуже гаряча і знаходиться в центрі багатьох досліджень, розробок та застосувань сучасних технологій. Зростання та прогрес у цій галузі не лише сприяє розвитку інформаційно-комунікаційних технологій, але й має глибокий вплив на багато інших галузей. Але, відверто кажучи, наша робоча сила в галузі напівпровідників та мікрочіпів все ще занадто мала, з обмеженим досвідом. Крім того, у В'єтнамі наразі немає достатньо сильного дослідницького центру напівпровідників та надійної екосистеми напівпровідників. На мою думку, В'єтнам повинен скористатися бумом технологій напівпровідників та мікрочіпів, зосередившись на нішевих галузях з конкурентним потенціалом, інвестуючи в дослідження та розробки та навчання людських ресурсів, будуючи технологічну та підтримуючи промислову екосистему, а також застосовуючи технології в ключових галузях промисловості. Ці стратегії допоможуть В'єтнаму досягти сталого розвитку та ефективно конкурувати в контексті швидкозмінних глобальних технологій. Дякую, професоре!

Thanhnien.vn

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