Es gibt viele Physiker, die sich mit Materialien befassen, und wir freuen uns jedes Jahr darauf, über einige der aufregendsten Forschungen auf diesem Gebiet zu schreiben. Dieses Jahr war da keine Ausnahme und hier sind einige unserer liebsten Materialgeschichten aus dem Jahr 2023.
In einer Zeit, in der neue Materialien mithilfe künstlicher Intelligenz entwickelt werden, finde ich es tröstlich, dass wir uns auch inmitten eines wiederauflebenden Interesses an Holz befinden. Es handelt sich sicherlich um eines der ältesten von Menschen verwendeten Materialien, und heute entwickeln Forscher auf der ganzen Welt neue Wege, um aus dieser erneuerbaren Ressource aufregende Materialien herzustellen. Jetzt, Isak Engquist of Labor für organische Elektronik der Universität Linköping und Kollegen in Schweden haben einen Transistor aus einem Holzbrett gebaut. Dies gelang ihnen durch den Einbau elektrisch leitender Polymere im gesamten Material, sodass Platz für einen ionisch leitenden Elektrolyten geschaffen wurde. Ihre neue Fertigungstechnik ermöglicht es, Holz als Vorlage für zahlreiche elektronische Komponenten zu verwenden, das Team räumt jedoch ein, dass Holztransistoren bei weitem nicht die Leistung herkömmlicher Geräte erreichen würden. Eine mögliche Anwendung könnte die Integration von Elektronik in lebende Pflanzen sein – aber auch wenn es für einen Holztransistor nur wenige praktische Anwendungen gibt, ist es dennoch ein netter Trick.
Wasser ist wie Holz ein allgegenwärtiges Material mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Im Gegensatz zu den meisten Substanzen hat festes Wasser eine geringere Dichte als flüssiges Wasser, was Wasserleben in weiten Teilen der Erde ermöglicht, wo die Temperaturen regelmäßig unter 0 °C fallen. Es ist bekannt, dass Eis in mindestens 20 verschiedenen Kristallstrukturen vorkommt. Jetzt haben Forscher in China unter der Leitung von Lifen Wang und Xuedong Bai von der Pekinger Nationallabor für Physik der kondensierten Materie und für Materiallabor am Songshan-See in Dongguan bestätigen erstmals die Existenz von kubischem Eis, das eine diamant-kubische Struktur aus Wassermolekülen aufweist. Es wird angenommen, dass dieses Eis für den Scheiner-Halo verantwortlich ist, einen äußerst seltenen optischen Effekt, der einen Lichtring um die Sonne bei etwa 28° erzeugt. Dies unterscheidet sich vom üblichen 22°-Halo, der durch Brechung durch hexagonale Eiskristalle entsteht. Das Team erzeugte kubisches Eis auf einer Gefrierplatte aus einschichtigem Graphen und überwachte seine Entstehung mithilfe der kryogenen Transmissionselektronenmikroskopie. Ihre Technik könnte sich als nützlich erweisen, um zu untersuchen, wie sich Eis aller Art auf Oberflächen bildet.
Einer der Triumphe der Physik des 20. Jahrhunderts ist die BCS-Theorie der Supraleitung, die in den 1950er Jahren entwickelt wurde, um zu erklären, warum manche Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand haben. Die Idee ist, dass sich Elektronen in diesen Supraleitern paaren, um Bosonen zu erzeugen. Diese „Cooper-Paare“ können dann zu einer supraflüssigkeitsähnlichen Substanz kondensieren, die ohne Widerstand fließen kann. Während es indirekte Beweise für die Existenz von Cooper-Paaren gibt, mussten Physiker noch eine negative Korrelation zwischen den Spins der Elektronen in einem Paar messen – was ein direkter Beweis für die Existenz eines Paares wäre. Nun führen Physiker in der Schweiz und Italien durch Arunav Bordoloi an der Universität Basel haben mithilfe von zwei Quantenpunkten Cooper-Paare aus einem winzigen Stück Supraleiter extrahiert. Anschließend teilten sie die Paare auf und maßen ihre Spinpolarisationen. Dabei stellten sie fest, dass sie normalerweise in entgegengesetzte Richtungen zeigten – genau wie von der BCS-Theorie vorhergesagt.
Vor Jahrzehnten, als ich an der Universität war, waren Fraktale der letzte Schrei – unter anderem wegen der hochwertigen Visualisierungen von Benoit Mandelbrot. Deshalb bin ich immer interessiert, wenn sie heute in der Forschung auftauchen. Im Februar, Claudio Castelnowo an der Universität Cambridge und Kollegen in Großbritannien, Deutschland, den USA und Argentinien zeigten, dass eine neue Art von Fraktal in einem Spineis lauert. Spineise sind Materialien mit magnetischen Momenten, die frustriert sind, weil sie sich bei niedrigen Temperaturen nicht in eine periodische Konfiguration einordnen können. Stattdessen werden die Momente mit einem Grad an Unordnung eingefroren, der dem von Wassereis ähnelt. Im Jahr 2009 argumentierten Physiker, dass sich Anregungen in manchen Spin-Eisen wie magnetische Monopole verhalten. Jetzt haben Castelnovo und Kollegen gezeigt, dass sich diese Monopole in einer fraktalen Welt mit sich ständig verzweigenden Flugbahnen bewegen, anstatt sich frei in 3D bewegen zu können. Die Untersuchung von Monopolen in Spineis könnte für eine Vielzahl von Anwendungen wichtig sein, sagt ein Teammitglied Jonathan Nilsson Hallén mit Sitz in Cambridge und Dresden. „Spin-Eis ist eines der am besten zugänglichen Beispiele topologischer Magnete, und magnetische Monopole in Spin-Eis sind eines der am besten verstandenen Beispiele für fraktionierte Anregungen“, sagt er.
Das weiße Fell des Eisbären dient als Tarnung in der verschneiten arktischen Landschaft. Allerdings könnte man meinen, dass ein weißer Kittel Bären in der Sonne schlecht wärmt. Dies ist jedoch nicht der Fall, da das Fell des Eisbären darauf ausgelegt ist, das Sonnenlicht an die dunkle Haut des Bären zu leiten, wo es effizient absorbiert wird. Darüber hinaus ist das Fell sehr gut darin, die von der Bärenhaut abgestrahlte Wärme einzufangen – was im Grunde einen Treibhauseffekt erzeugt. Jetzt, Trisha Andrew und Kollegen von der University of Massachusetts Amherst haben einen neuen doppellagigen Stoff entwickelt, der von Eisbären inspiriert ist und die Energie der Sonne und der Innenbeleuchtung absorbiert und sie einfängt, um die Wärme aufrechtzuerhalten. Bei einer Lichtintensität von 130 W/m2 (ein trüber Mittwintertag in England) hält seinen Träger genauso warm wie Baumwollstoff – aber bei 10 °C kälteren Temperaturen und wiegt 30 % weniger. „Unser Eisbärenstoff könnte sehr nützlich sein, um die Raumheizung, die große Mengen an Energie verbraucht, energieeffizienter zu steuern, indem Menschen in Innenräumen mit Umgebungslicht statt mit Raumheizung geheizt werden“, sagt Andrew.
Wir lieben hier ein Quasiteilchen Physik-WeltDeshalb freuten wir uns, dass Physiker im Jahr 2023 endlich den „Pines-Dämon“ entdeckten. Erstmals 1952 vorhergesagt von David Pines und David BohmDieses Quasiteilchen ist eine quantisierte Elektronendichteschwankung in einem Plasma. Das Quasiteilchen entsteht, wenn sich Elektronen in verschiedenen Bändern eines Metalls phasenverschoben zueinander bewegen, sodass die Gesamtladung statisch bleibt. Tatsächlich ist ein Dämon die kollektive Bewegung neutraler Quasiteilchen – und ein Dämon ist außerdem masselos und nicht in der Lage, mit Licht zu interagieren. All dies macht den Nachweis der Quasiteilchen sehr schwierig. Jetzt, Peter Abbamonte von der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) in den USA, und Kollegen haben mithilfe einer Technik namens Elektronenenergieverlustspektroskopie Beweise für den Dämon gefunden, um eine mit dem Pines-Dämon verbundene Anregung in Einkristallen aus Strontiumruthenat zu identifizieren.
Menschen scheinen eine Hassliebe zu Beton zu haben. Die Praktikabilität des Materials ist die Grundlage für einen Großteil der gebauten Umwelt, dennoch verurteilen wir sein manchmal brutales Aussehen und die enormen Mengen an Kohlendioxid, die bei seiner Herstellung ausgestoßen werden. Jetzt ein Team in den USA unter der Leitung des MIT Franz Josef Ulm, Bewundern Sie Masic und Yang-Shao-Horn haben eine Betonart entwickelt, mit der sich Superkondensatoren zur Energiespeicherung herstellen lassen. Die Produktion beginnt mit einer trockenen Mischung aus Ruß und Zement, der Wasser und Fließmittel zugesetzt werden. Beim Erstarren des Materials entsteht ein fraktalartiges Porennetzwerk, das das Material zu einem Leiter mit sehr großer Oberfläche macht. Das ist genau das, was Sie für die Elektroden eines Kondensators wünschen: Je größer die Oberfläche, desto größer die Kapazität. Nach Angaben des Teams könnte ein Betonkondensator von der Größe eines 3.55 m großen Würfels etwa 10 kWh Energie speichern. Ein Haus, dessen Fundamente diese Kondensatoren enthalten, könnte daher die Energie eines Tages – beispielsweise erzeugt durch Sonnenkollektoren – speichern und bei Bedarf abgeben. Das Material könnte auch im Sockel einer Windkraftanlage eingesetzt werden, wo es überschüssige Energie speichern könnte, bis sie benötigt wird. Die Technologie könnte auch zur Speicherung erneuerbarer Energie in Infrastrukturen wie Straßen und Parkplätzen genutzt werden, wo die Energie per Induktion auf Fahrzeuge übertragen werden könnte.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/
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