Materialer og nanoteknologi er blomstrende felter for fysikere, som ofte nyder godt af at samarbejde med kemikere, biologer, ingeniører og selvfølgelig materialeforskere. Det gør materialer og nanoteknologi fascinerende at skrive om, og dette år har ikke været nogen undtagelse. Her er et udvalg af nogle af vores yndlingsmaterialer og nanoteknologiske forskningshistorier, som vi udgav i 2022.
Integrationen af nanomaterialer med levende organismer er et varmt emne, og derfor er denne forskning om "nedarvet nanobionics" på vores liste. Ardemis Boghossian ved EPFL i Schweiz og kolleger har vist, at visse bakterier vil optage enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er). Hvad mere er, når bakteriecellerne splittes, fordeles SWCNT'erne blandt dattercellerne. Holdet fandt også, at bakterier, der indeholder SWCNT'er, producerer betydeligt mere elektricitet, når de belyses med lys, end bakterier uden nanorør. Som følge heraf kunne teknikken bruges til at dyrke levende solceller, som udover at generere ren energi også har et negativt kulstofaftryk, når det kommer til fremstilling.
Meget af verdens kulturarv findes i materiel form, og videnskabsmænd spiller en vigtig rolle i at bevare fortiden for fremtidige generationer. I Schweiz og Tyskland har forskere brugt en avanceret, ikke-invasiv billedbehandlingsteknik til at hjælpe med at genoprette middelalderlige objekter, der er dækket af zwischguld. Dette er et meget sofistikeret materiale, der består af et ultratyndt guldlag, der er understøttet af et tykkere lag sølv. Zwischgold forringes gennem århundreder, men eksperter havde været usikre på dens oprindelige struktur, og hvordan den ændrer sig med tiden, hvilket gør restaurering vanskelig. Nu er et hold ledet af Qing Wu på University of Applied Sciences and Arts i det vestlige Schweiz , Benjamin Watts ved Paul Scherrer Instituttet har brugt en avanceret røntgendiffraktionsteknik til at vise, at zwischgold har et 30 nm tykt guldlag, sammenlignet med bladguld, som typisk er 140 nm. De fik også indsigt i, hvordan materialet begynder at adskilles fra overflader.
Udtrykket "vidundermateriale" er sandsynligvis overudnyttet, men her kl Fysik verden vi synes, det er en rammende beskrivelse af perovskitterne – halvledermaterialer med egenskaber, der gør dem velegnede til fremstilling af solceller. Imidlertid har perovskit-enheder deres ulemper, hvoraf nogle er relateret til overfladedefekter og ionmigrering. Disse problemer forværres af varme og fugtighed – netop de forhold, som praktiske solceller skal tåle. Nu, Stefan De Wolf ved King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabien og kolleger har skabt en perovskit-enhed lavet af 2D- og 3D-lag, der er mere modstandsdygtig over for varme og fugt. Dette skyldes, at 2D-lagene fungerer som en barriere, der forhindrer både vand- og ionmigrering i at påvirke 3D-dele af enheden.
Bevarelsen af vinkelmomentum er en hjørnesten i fysikken. Dette er grunden til, at videnskabsmænd var blevet forundret over skæbnen for spin i nogle magneter, som så ud til at forsvinde, når materialerne bombarderes af ultrakorte laserimpulser. Nu har forskere ved Universitetet i Konstanz i Tyskland har fundet ud af, at dette "tabte" vinkelmomentum faktisk overføres fra elektroner til vibrationer af materialets krystalgitter inden for et par hundrede femtosekunder. Affyring af laserimpulser mod magnetiske materialer kan bruges til at lagre og hente data, så forståelse af, hvordan vinkelmomentum overføres, kan føre til bedre lagringssystemer. Konstanz-eksperimentet kunne også føre til udviklingen af nye måder at manipulere spin på – hvilket kunne gavne udviklingen af spintroniske enheder.
Når vi taler om vidundermaterialer, var 2022 året for kubisk borarsenid. Denne halvleder var blevet forudsagt at have to teknologisk betydningsfulde egenskaber - høj hulmobilitet og høj termisk ledningsevne. Begge disse forudsigelser blev bekræftet eksperimentelt i år, og de forskere, der gjorde det, er hædret i vores Top 10 gennembrud i 2022. Men det er ikke stoppet der, senere i år Usama Choudhry og kolleger ved University of California, Santa Barbara og University of Houston brugte scanning ultrahurtig elektronmikroskopi for at bekræfte, at "varme" elektroner i kubisk borarsenid har lang levetid. Dette er en anden yderst ønskværdig egenskab, der kan vise sig nyttig i udviklingen af solceller og lysdetektorer.
Det anslås, at 20 % af al elektricitet, der bruges globalt, bruges på konventionel dampkompressionskøling og aircondition. Desuden er de kølemidler, der anvendes i disse systemer, kraftige drivhusgasser, der bidrager væsentligt til den globale opvarmning. Som følge heraf forsøger forskere at udvikle mere miljøvenlige kølesystemer. Nu, Peng Wu og kolleger ved Shanghai Tech University har skabt et solid-state kaloriekølesystem, der bruger elektriske felter i stedet for magnetfelterne til at skabe belastning i et materiale. Dette er vigtigt, fordi elektriske felter er meget nemmere og meget billigere at implementere end magnetiske felter. Desuden opstår effekten ved stuetemperatur – hvilket er en vigtig forudsætning for et praktisk kølesystem.
Vi kommer til at presse endnu et vidundermateriale ind i årets round-up, og det er magisk vinkelgrafen. Dette skabes, når lag af grafen roteres i forhold til hinanden, hvilket skaber et Moiré-supergitter, der har en række egenskaber, der afhænger af vridningens vinkel. Nu, Jia li og kolleger ved Brown University i USA har brugt magic-angle graphene til at skabe et materiale, der udviser både magnetisme og superledningsevne - egenskaber, der normalt er i hver sin ende af spektret i kondenseret stof fysik. Holdet kombinerede magisk vinkelgrafen med 2D-materialet wolframdiselenid. Den komplekse interaktion mellem de to materialer gjorde det muligt for forskerne at omdanne grafen fra en superleder til en kraftig ferromagnet. Denne præstation kunne give fysikere en ny måde at studere samspillet mellem disse to normalt adskilte fænomener.
