Τα υλικά και η νανοτεχνολογία είναι ακμάζοντα πεδία για τους φυσικούς, οι οποίοι συχνά επωφελούνται από τη συνεργασία με χημικούς, βιολόγους, μηχανικούς και, φυσικά, επιστήμονες υλικών. Αυτό κάνει τα υλικά και τη νανοτεχνολογία συναρπαστικά να γράφεις, και φέτος δεν αποτέλεσε εξαίρεση. Εδώ είναι μια επιλογή από μερικές από τις αγαπημένες μας ερευνητικές ιστορίες υλικών και νανοτεχνολογίας που δημοσιεύσαμε το 2022.
Η ενσωμάτωση νανοϋλικών με ζωντανούς οργανισμούς είναι ένα καυτό θέμα, γι' αυτό και αυτή η έρευνα για την «κληρονομούμενη νανοβιονική» βρίσκεται στη λίστα μας. Αρδέμης Μπογκοσιάν στο EPFL στην Ελβετία και οι συνάδελφοί του έχουν δείξει ότι ορισμένα βακτήρια θα απορροφήσουν νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs). Επιπλέον, όταν τα βακτηριακά κύτταρα χωρίζονται, τα SWCNTs κατανέμονται μεταξύ των θυγατρικών κυττάρων. Η ομάδα διαπίστωσε επίσης ότι τα βακτήρια που περιέχουν SWCNT παράγουν πολύ περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια όταν φωτίζονται με φως από ό,τι τα βακτήρια χωρίς νανοσωλήνες. Ως αποτέλεσμα, η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη ζωντανών ηλιακών κυψελών, τα οποία εκτός από την παραγωγή καθαρής ενέργειας, έχουν επίσης αρνητικό αποτύπωμα άνθρακα όταν πρόκειται για την κατασκευή.
Μεγάλο μέρος της παγκόσμιας πολιτιστικής κληρονομιάς υπάρχει σε υλική μορφή και οι επιστήμονες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση του παρελθόντος για τις μελλοντικές γενιές. Στην Ελβετία και τη Γερμανία, ερευνητές χρησιμοποίησαν μια προηγμένη, μη επεμβατική τεχνική απεικόνισης για να βοηθήσουν στην αποκατάσταση μεσαιωνικών αντικειμένων που καλύπτονται με zwischgold. Αυτό είναι ένα εξαιρετικά εξελιγμένο υλικό που περιλαμβάνει ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα χρυσού που υποστηρίζεται από ένα παχύτερο στρώμα ασημιού. Το Zwischgold φθείρεται με τους αιώνες, αλλά οι ειδικοί δεν ήταν σίγουροι για την αρχική του δομή και πώς αλλάζει με τον καιρό, καθιστώντας δύσκολη την αποκατάσταση. Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Qing Wu στο Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών και Τεχνών της Δυτικής Ελβετίας και Μπέντζαμιν Γουότς στο Ινστιτούτο Paul Scherrer έχουν χρησιμοποιήσει μια προηγμένη τεχνική περίθλασης ακτίνων Χ για να δείξουν ότι ο zwischgold έχει ένα στρώμα χρυσού πάχους 30 nm, σε σύγκριση με το φύλλο χρυσού, το οποίο είναι συνήθως 140 nm. Απέκτησαν επίσης γνώσεις για το πώς το υλικό αρχίζει να διαχωρίζεται από τις επιφάνειες.
Ο όρος «θαυματουργό υλικό» μάλλον χρησιμοποιείται υπερβολικά, αλλά εδώ στο Κόσμος Φυσικής πιστεύουμε ότι είναι μια εύστοχη περιγραφή των περοβσκιτών – υλικών ημιαγωγών με ιδιότητες που τα καθιστούν κατάλληλα για την κατασκευή ηλιακών κυψελών. Ωστόσο, οι συσκευές περοβσκίτη έχουν τα μειονεκτήματά τους, μερικά από τα οποία σχετίζονται με επιφανειακά ελαττώματα και μετανάστευση ιόντων. Αυτά τα προβλήματα επιδεινώνονται από τη ζέστη και την υγρασία – τις ίδιες τις συνθήκες που πρέπει να υποστούν οι πρακτικές ηλιακές κυψέλες. Τώρα, Στέφαν Ντε Γουλφ στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας King Abdullah στη Σαουδική Αραβία και οι συνεργάτες του δημιούργησαν μια συσκευή περοβσκίτη κατασκευασμένη από στρώματα 2D και 3D που είναι πιο ανθεκτική στη θερμότητα και την υγρασία. Αυτό συμβαίνει επειδή τα στρώματα 2D λειτουργούν ως φράγμα, εμποδίζοντας τη μετανάστευση νερού και ιόντων να επηρεάσουν τα 3D μέρη της συσκευής.
Η διατήρηση της γωνιακής ορμής είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της φυσικής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι επιστήμονες είχαν προβληματιστεί σχετικά με την τύχη της περιστροφής σε ορισμένους μαγνήτες, οι οποίοι φαινόταν να εξαφανίζονται όταν τα υλικά βομβαρδίζονται από υπερμικρούς παλμούς λέιζερ. Τώρα, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Konstanz στη Γερμανία έχουν ανακαλύψει ότι αυτή η «χαμένη» γωνιακή ορμή στην πραγματικότητα μεταφέρεται από τα ηλεκτρόνια σε δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού μέσα σε μερικές εκατοντάδες femtoseconds. Οι παλμοί λέιζερ πυροδότησης σε μαγνητικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση και την ανάκτηση δεδομένων, επομένως η κατανόηση του τρόπου μεταφοράς της γωνιακής ορμής θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερα συστήματα αποθήκευσης. Το πείραμα Konstanz θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τρόπων χειρισμού του spin – οι οποίοι θα μπορούσαν να ωφελήσουν την ανάπτυξη συσκευών spintronic.
Μιλώντας για θαυμαστά υλικά, το 2022 ήταν η χρονιά του κυβικού αρσενιδίου του βορίου. Αυτός ο ημιαγωγός είχε προβλεφθεί ότι έχει δύο τεχνολογικά σημαντικές ιδιότητες – υψηλή κινητικότητα οπών και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Και οι δύο αυτές προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν πειραματικά φέτος και οι ερευνητές που το έκαναν αυτό τιμούνται στο δικό μας Οι 10 κορυφαίες ανακαλύψεις του 2022. Αλλά δεν σταμάτησε εκεί, αργότερα φέτος Usama Choudhry και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στη Σάντα Μπάρμπαρα και στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον χρησιμοποίησαν υπερταχεία ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης για να επιβεβαιώσουν ότι τα «καυτά» ηλεκτρόνια στο κυβικό αρσενίδιο του βορίου έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Αυτή είναι μια άλλη ιδιαίτερα επιθυμητή ιδιότητα που θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη στην ανάπτυξη ηλιακών κυψελών και ανιχνευτών φωτός.
Υπολογίζεται ότι το 20% του συνόλου της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται παγκοσμίως δαπανάται σε συμβατική ψύξη με συμπίεση ατμών και κλιματισμό. Επιπλέον, τα ψυκτικά που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα είναι ισχυρά αέρια θερμοκηπίου που συμβάλλουν σημαντικά στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν πιο φιλικά προς το περιβάλλον συστήματα ψύξης. Τώρα, Πενγκ Γου και συνάδελφοι στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Σαγκάης δημιούργησαν ένα θερμιδικό σύστημα ψύξης στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιεί ηλεκτρικά πεδία, αντί για μαγνητικά πεδία για να δημιουργήσει καταπόνηση σε ένα υλικό. Αυτό είναι σημαντικό γιατί τα ηλεκτρικά πεδία είναι πολύ πιο εύκολα και πολύ φθηνότερα στην εφαρμογή από τα μαγνητικά πεδία. Επιπλέον, το αποτέλεσμα εμφανίζεται σε θερμοκρασία δωματίου – κάτι που είναι σημαντική προϋπόθεση για ένα πρακτικό σύστημα ψύξης.
Θα συμπιέσουμε ένα ακόμη θαυματουργό υλικό στη φετινή συλλογή, και αυτό είναι το γραφένιο με μαγική γωνία. Αυτό δημιουργείται όταν στρώματα γραφενίου περιστρέφονται μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα υπερπλέγμα Moiré που έχει μια σειρά ιδιοτήτων που εξαρτώνται από τη γωνία της συστροφής. Τώρα, Τζια λι και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο Brown στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν γραφένιο με μαγική γωνία για να δημιουργήσουν ένα υλικό που παρουσιάζει μαγνητισμό και υπεραγωγιμότητα – ιδιότητες που βρίσκονται συνήθως σε αντίθετα άκρα του φάσματος στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Η ομάδα διασύνδεσε το γραφένιο μαγικής γωνίας με το δισδιάστατο υλικό δισελενίδιο του βολφραμίου. Η πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο υλικών επέτρεψε στους ερευνητές να μετατρέψουν το γραφένιο από έναν υπεραγωγό σε έναν ισχυρό σιδηρομαγνήτη. Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να δώσει στους φυσικούς έναν νέο τρόπο να μελετήσουν την αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των δύο συνήθως ξεχωριστών φαινομένων.
