المواد وتكنولوجيا النانو هي مجالات مزدهرة للفيزيائيين ، الذين يستفيدون غالبًا من التعاون مع الكيميائيين وعلماء الأحياء والمهندسين ، وبالطبع علماء المواد. وهذا يجعل الكتابة عن المواد وتكنولوجيا النانو رائعة ، ولم يكن هذا العام استثناءً. فيما يلي مجموعة مختارة من بعض المواد المفضلة لدينا وقصص أبحاث تكنولوجيا النانو التي نشرناها في عام 2022.
يعتبر تكامل المواد النانوية مع الكائنات الحية موضوعًا ساخنًا ، وهذا هو السبب في أن هذا البحث عن "علم الأحياء النانوية الموروث" مدرج في قائمتنا. أرديميس بوغوصيان في EPFL في سويسرا وزملاؤه أظهروا أن بكتيريا معينة ستتناول الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs). علاوة على ذلك ، عندما تنقسم خلايا البكتيريا ، يتم توزيع SWCNTs بين الخلايا الوليدة. وجد الفريق أيضًا أن البكتيريا التي تحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الخلية تنتج كهرباء أكثر بكثير عند إضاءتها بالضوء مقارنة بالبكتيريا التي لا تحتوي على أنابيب نانوية. ونتيجة لذلك ، يمكن استخدام هذه التقنية لتنمية الخلايا الشمسية الحية ، والتي لها أيضًا بصمة كربونية سلبية عندما يتعلق الأمر بالتصنيع ، بالإضافة إلى توليد الطاقة النظيفة.
يوجد الكثير من التراث الثقافي العالمي في شكل مادي ويلعب العلماء أدوارًا مهمة في الحفاظ على الماضي للأجيال القادمة. في سويسرا وألمانيا ، استخدم الباحثون تقنية تصوير متطورة غير جراحية للمساعدة في استعادة أشياء من العصور الوسطى مغطاة بـ zwischgold. هذه مادة متطورة للغاية تتكون من طبقة ذهبية رفيعة للغاية مدعومة بطبقة أكثر سمكًا من الفضة. تدهورت حالة Zwischgold على مر القرون ، لكن الخبراء لم يكونوا متأكدين من هيكلها الأصلي وكيف يتغير مع مرور الوقت ، مما يجعل ترميمه أمرًا صعبًا. الآن ، فريق بقيادة تشينغ وو في جامعة العلوم التطبيقية والفنون بغرب سويسرا و بنيامين واتس في معهد Paul Scherrer ، استخدم تقنية حيود الأشعة السينية المتقدمة لإظهار أن zwischgold يحتوي على طبقة ذهبية بسمك 30 نانومتر ، مقارنة بأوراق الذهب ، والتي يبلغ حجمها عادةً 140 نانومتر. لقد اكتسبوا أيضًا نظرة ثاقبة حول كيفية بدء المادة في الانفصال عن الأسطح.
ربما تم الإفراط في استخدام مصطلح "المواد العجيبة" ، ولكن هنا في عالم الفيزياء نعتقد أنه وصف مناسب للبيروفسكايت - مواد شبه موصلة لها خصائص تجعلها مناسبة لصنع الخلايا الشمسية. ومع ذلك ، فإن أجهزة البيروفسكايت لها سلبيات ، بعضها مرتبط بعيوب سطحية وهجرة الأيونات. تتفاقم هذه المشكلات بسبب الحرارة والرطوبة - وهي الظروف ذاتها التي يجب أن تتحملها الخلايا الشمسية العملية. الآن، ستيفان دي وولف في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا في المملكة العربية السعودية ، ابتكر زملاؤهم جهاز بيروفسكايت مصنوع من طبقات ثنائية وثلاثية الأبعاد أكثر مقاومة للحرارة والرطوبة. وذلك لأن الطبقات ثنائية الأبعاد تعمل كحاجز ، مما يمنع كلاً من هجرة الماء والأيونات من التأثير على الأجزاء ثلاثية الأبعاد من الجهاز.
الحفاظ على الزخم الزاوي هو حجر الزاوية في الفيزياء. هذا هو السبب في أن العلماء كانوا في حيرة من أمرهم بشأن مصير الدوران في بعض المغناطيسات ، والذي بدا وكأنه يتلاشى عندما يتم قصف المواد بواسطة نبضات ليزر فائقة القصر. الآن ، الباحثون في جامعة كونستانس بألمانيا اكتشفوا أن هذا الزخم الزاوي "المفقود" ينتقل في الواقع من الإلكترونات إلى اهتزازات الشبكة البلورية للمادة في غضون بضع مئات من الفمتوثانية. يمكن استخدام نبضات الليزر على المواد المغناطيسية لتخزين واسترجاع البيانات ، لذا فإن فهم كيفية نقل الزخم الزاوي يمكن أن يؤدي إلى أنظمة تخزين أفضل. يمكن أن تؤدي تجربة كونستانس أيضًا إلى تطوير طرق جديدة للتعامل مع السبين - والتي يمكن أن تفيد في تطوير أجهزة سبينترونيك.
بالحديث عن المواد العجيبة ، كان عام 2022 هو عام زرنيخ البورون المكعب. تم التنبؤ بأن هذا أشباه الموصلات له خاصيتان مهمتان من الناحية التكنولوجية - قابلية عالية للتنقل والتوصيل الحراري العالي. تم تأكيد كل من هذه التنبؤات تجريبياً هذا العام والباحثون الذين فعلوا ذلك تم تكريمهم في منطقتنا أهم 10 اختراقات في عام 2022. لكنها لم تتوقف عند هذا الحد ، في وقت لاحق من هذا العام أسامة شودري وزملاؤهم في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، وجامعة هيوستن استخدموا المسح المجهري الإلكتروني فائق السرعة للتأكد من أن الإلكترونات "الساخنة" في زرنيخيد البورون المكعب لها عمر طويل. هذه خاصية أخرى مرغوبة للغاية يمكن أن تكون مفيدة في تطوير الخلايا الشمسية وأجهزة الكشف عن الضوء.
تشير التقديرات إلى أن 20٪ من الكهرباء المستخدمة عالميًا تُنفق على التبريد التقليدي بضغط البخار وتكييف الهواء. علاوة على ذلك ، فإن المبردات المستخدمة في هذه الأنظمة هي غازات دفيئة قوية تساهم بشكل كبير في ظاهرة الاحتباس الحراري. نتيجة لذلك ، يحاول العلماء تطوير أنظمة تبريد أكثر صداقة للبيئة. الآن، بينغ وو أنشأ وزملاؤه في جامعة شنغهاي للتكنولوجيا نظام تبريد ذو حالة صلبة من السعرات الحرارية يستخدم الحقول الكهربائية ، بدلاً من الحقول المغناطيسية لخلق إجهاد في مادة ما. هذا مهم لأن المجالات الكهربائية أسهل بكثير وأرخص بكثير في التنفيذ من المجالات المغناطيسية. علاوة على ذلك ، يحدث التأثير في درجة حرارة الغرفة - وهو مطلب مهم لنظام تبريد عملي.
سنقوم بدمج مادة أخرى رائعة في جولة هذا العام ، وهي مادة الجرافين ذات الزاوية السحرية. يتم إنشاء هذا عندما يتم تدوير طبقات الجرافين بالنسبة لبعضها البعض ، مما يؤدي إلى إنشاء شبكة مواريه فائقة تتميز بمجموعة من الخصائص التي تعتمد على زاوية الالتواء. الآن، جيا لي استخدم وزملاؤه في جامعة براون بالولايات المتحدة الجرافين ذو الزاوية السحرية لإنشاء مادة تُظهر كلاً من المغناطيسية والموصلية الفائقة - وهي خصائص تكون عادةً على طرفي نقيض من الطيف في فيزياء المادة المكثفة. قام الفريق بربط الجرافين ذو الزاوية السحرية بمادة التنجستين ثنائية الأبعاد. سمح التفاعل المعقد بين المادتين للباحثين بتحويل الجرافين من موصل فائق إلى مغناطيس حديدي قوي. يمكن أن يمنح هذا الإنجاز علماء الفيزياء طريقة جديدة لدراسة التفاعل بين هاتين الظاهرتين المنفصلتين عادةً.
