Materialien und Nanotechnologie sind florierende Bereiche für Physiker, die oft von der Zusammenarbeit mit Chemikern, Biologen, Ingenieuren und natürlich Materialwissenschaftlern profitieren. Dies macht es faszinierend, über Materialien und Nanotechnologie zu schreiben, und dieses Jahr war keine Ausnahme. Hier ist eine Auswahl einiger unserer Lieblingsgeschichten aus der Material- und Nanotechnologieforschung, die wir 2022 veröffentlicht haben.
Die Integration von Nanomaterialien in lebende Organismen ist ein heißes Thema, weshalb diese Forschung zur „vererbten Nanobionik“ auf unserer Liste steht. Ardemis Boghossian an der EPFL in der Schweiz und Kollegen haben gezeigt, dass bestimmte Bakterien einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) aufnehmen. Außerdem verteilen sich die SWCNTs bei der Zellteilung der Bakterien auf die Tochterzellen. Das Team fand auch heraus, dass Bakterien, die SWCNTs enthalten, deutlich mehr Strom erzeugen, wenn sie mit Licht beleuchtet werden, als Bakterien ohne Nanoröhren. Infolgedessen könnte die Technik zum Züchten von lebenden Solarzellen verwendet werden, die nicht nur saubere Energie erzeugen, sondern auch einen negativen COXNUMX-Fußabdruck bei der Herstellung haben.
Ein Großteil des kulturellen Erbes der Welt existiert in materieller Form, und Wissenschaftler spielen eine wichtige Rolle bei der Bewahrung der Vergangenheit für zukünftige Generationen. In der Schweiz und in Deutschland haben Forscher ein fortschrittliches, nicht-invasives Bildgebungsverfahren verwendet, um bei der Restaurierung mittelalterlicher Objekte zu helfen, die mit Zwischgold bedeckt sind. Dies ist ein hochentwickeltes Material, das aus einer ultradünnen Goldschicht besteht, die von einer dickeren Silberschicht unterstützt wird. Zwischgold verfällt im Laufe der Jahrhunderte, aber Experten waren sich seiner ursprünglichen Struktur und ihrer Veränderung im Laufe der Zeit nicht sicher, was eine Restaurierung schwierig machte. Nun, ein Team unter der Leitung von Qing Wu an der Fachhochschule Westschweiz und Benjamin Watt am Paul Scherrer Institut haben eine fortschrittliche Röntgenbeugungstechnik verwendet, um zu zeigen, dass Zwischgold eine 30 nm dicke Goldschicht aufweist, im Vergleich zu Blattgold, das typischerweise 140 nm dick ist. Sie gewannen auch Einblicke, wie sich das Material von Oberflächen zu lösen beginnt.
Der Begriff „Wundermaterial“ ist wahrscheinlich überstrapaziert, aber hier bei Physik-Welt Wir finden, es ist eine treffende Beschreibung der Perowskite – Halbleitermaterialien mit Eigenschaften, die sie für die Herstellung von Solarzellen geeignet machen. Perowskit-Bauelemente haben jedoch ihre Nachteile, von denen einige mit Oberflächendefekten und Ionenmigration zusammenhängen. Diese Probleme werden durch Hitze und Feuchtigkeit verschärft – genau die Bedingungen, denen praktische Solarzellen standhalten müssen. Jetzt, Stefan de Wolf an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien und Kollegen haben ein Perowskit-Gerät aus 2D- und 3D-Schichten entwickelt, das widerstandsfähiger gegen Hitze und Feuchtigkeit ist. Dies liegt daran, dass die 2D-Schichten als Barriere wirken und sowohl Wasser- als auch Ionenmigration daran hindern, 3D-Teile des Geräts zu beeinträchtigen.
Die Erhaltung des Drehimpulses ist ein Eckpfeiler der Physik. Aus diesem Grund rätselten Wissenschaftler über das Schicksal des Spins in einigen Magneten, der zu verschwinden schien, wenn die Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen beschossen wurden. Jetzt haben Forscher der Universität Konstanz in Deutschland haben herausgefunden, dass dieser „verlorene“ Drehimpuls tatsächlich innerhalb weniger hundert Femtosekunden von Elektronen auf Schwingungen des Kristallgitters des Materials übertragen wird. Das Abfeuern von Laserpulsen auf magnetische Materialien kann zum Speichern und Abrufen von Daten verwendet werden, so dass das Verständnis, wie Drehimpuls übertragen wird, zu besseren Speichersystemen führen könnte. Das Konstanzer Experiment könnte auch zur Entwicklung neuer Wege zur Manipulation des Spins führen – was der Entwicklung von spintronischen Geräten zugute kommen könnte.
Apropos Wundermaterialien, 2022 war das Jahr des kubischen Borarsenids. Diesem Halbleiter wurden zwei technologisch bedeutsame Eigenschaften vorhergesagt – hohe Lochmobilität und hohe Wärmeleitfähigkeit. Beide Vorhersagen wurden in diesem Jahr experimentell bestätigt, und die Forscher, die dies getan haben, werden in unserem geehrt Top 10 Durchbrüche des Jahres 2022. Aber es hat dort, später in diesem Jahr, nicht aufgehört Usama Choudhry und Kollegen an der University of California, Santa Barbara, und der University of Houston verwendeten ultraschnelle Rasterelektronenmikroskopie, um zu bestätigen, dass „heiße“ Elektronen in kubischem Borarsenid eine lange Lebensdauer haben. Dies ist eine weitere äußerst wünschenswerte Eigenschaft, die sich bei der Entwicklung von Solarzellen und Lichtdetektoren als nützlich erweisen könnte.
Es wird geschätzt, dass 20 % des gesamten Stromverbrauchs weltweit für herkömmliche Dampfkompressionskälte- und Klimaanlagen aufgewendet werden. Darüber hinaus sind die in diesen Systemen verwendeten Kältemittel starke Treibhausgase, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. Daher versuchen Wissenschaftler, umweltfreundlichere Kühlsysteme zu entwickeln. Jetzt, Peng Wu und Kollegen an der Shanghai Tech University haben ein kalorisches Festkörperkühlsystem entwickelt, das elektrische Felder anstelle von Magnetfeldern verwendet, um Spannungen in einem Material zu erzeugen. Dies ist wichtig, da elektrische Felder viel einfacher und viel billiger zu implementieren sind als magnetische Felder. Zudem tritt der Effekt bereits bei Raumtemperatur ein – eine wichtige Voraussetzung für ein praxistaugliches Kühlsystem.
Wir werden ein weiteres Wundermaterial in die diesjährige Zusammenfassung quetschen, und das ist Graphen mit magischem Winkel. Dies entsteht, wenn Graphenschichten relativ zueinander gedreht werden, wodurch ein Moiré-Übergitter entsteht, das eine Reihe von Eigenschaften aufweist, die vom Winkel der Verdrehung abhängen. Jetzt, Jia li und Kollegen von der Brown University in den USA haben Graphen mit magischem Winkel verwendet, um ein Material zu schaffen, das sowohl Magnetismus als auch Supraleitfähigkeit aufweist – Eigenschaften, die in der Physik der kondensierten Materie normalerweise an entgegengesetzten Enden des Spektrums liegen. Das Team verknüpfte Graphen im magischen Winkel mit dem 2D-Material Wolframdiselenid. Die komplexe Wechselwirkung zwischen den beiden Materialien ermöglichte es den Forschern, Graphen von einem Supraleiter in einen starken Ferromagneten umzuwandeln. Diese Errungenschaft könnte Physikern eine neue Möglichkeit bieten, das Zusammenspiel zwischen diesen beiden normalerweise getrennten Phänomenen zu untersuchen.
