Los materiales y la nanotecnología son campos prósperos para los físicos, que a menudo se benefician de la colaboración con químicos, biólogos, ingenieros y, por supuesto, científicos de materiales. Esto hace que escribir sobre materiales y nanotecnología sea fascinante, y este año no ha sido la excepción. Aquí hay una selección de algunos de nuestros materiales favoritos e historias de investigación en nanotecnología que publicamos en 2022.
La integración de nanomateriales con organismos vivos es un tema candente, por lo que esta investigación sobre "nanobiónica heredada" está en nuestra lista. Ardemis Boghossian en EPFL en Suiza y sus colegas han demostrado que ciertas bacterias tomarán nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Además, cuando las células bacterianas se dividen, los SWCNT se distribuyen entre las células hijas. El equipo también descubrió que las bacterias que contienen SWCNT producen mucha más electricidad cuando se iluminan con luz que las bacterias sin nanotubos. Como resultado, la técnica podría usarse para cultivar células solares vivas, que además de generar energía limpia, también tienen una huella de carbono negativa en lo que respecta a la fabricación.
Gran parte del patrimonio cultural mundial existe en forma material y los científicos desempeñan un papel importante en la preservación del pasado para las generaciones futuras. En Suiza y Alemania, los investigadores han utilizado una técnica de imagen no invasiva avanzada para ayudar a restaurar objetos medievales que están cubiertos de zwischgold. Este es un material altamente sofisticado que comprende una capa de oro ultrafina que está respaldada por una capa más gruesa de plata. Zwischgold se deteriora a lo largo de los siglos, pero los expertos no estaban seguros de su estructura original y de cómo cambia con el tiempo, lo que dificulta la restauración. Ahora, un equipo dirigido por Qing Wu en el Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de Suiza Occidental y benjamin watts en el Instituto Paul Scherrer han utilizado una técnica avanzada de difracción de rayos X para demostrar que el zwischgold tiene una capa de oro de 30 nm de espesor, en comparación con el pan de oro, que normalmente tiene 140 nm. También obtuvieron información sobre cómo el material comienza a separarse de las superficies.
El término "material maravilloso" probablemente se usa en exceso, pero aquí en Mundo de la física creemos que es una descripción adecuada de las perovskitas, materiales semiconductores con propiedades que los hacen adecuados para fabricar células solares. Sin embargo, los dispositivos de perovskita tienen sus desventajas, algunas de las cuales están relacionadas con los defectos de la superficie y la migración de iones. Estos problemas se ven exacerbados por el calor y la humedad, las mismas condiciones que deben soportar las células solares prácticas. Ahora, stefaan de lobo en la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita y sus colegas han creado un dispositivo de perovskita hecho de capas 2D y 3D que es más resistente al calor y la humedad. Esto se debe a que las capas 2D actúan como una barrera, impidiendo que la migración de agua e iones afecte las partes 3D del dispositivo.
La conservación del momento angular es una piedra angular de la física. Esta es la razón por la que los científicos estaban desconcertados por el destino del giro en algunos imanes, que parecían desaparecer cuando los materiales son bombardeados por pulsos láser ultracortos. Ahora, los investigadores de la Universidad de Konstanz en Alemania han descubierto que este momento angular "perdido" se transfiere de hecho de los electrones a las vibraciones de la red cristalina del material en unos pocos cientos de femtosegundos. Disparar pulsos de láser a materiales magnéticos se puede usar para almacenar y recuperar datos, por lo que comprender cómo se transfiere el momento angular podría conducir a mejores sistemas de almacenamiento. El experimento de Konstanz también podría conducir al desarrollo de nuevas formas de manipular el giro, lo que podría beneficiar el desarrollo de dispositivos espintrónicos.
Hablando de materiales maravillosos, 2022 fue el año del arseniuro de boro cúbico. Se había predicho que este semiconductor tendría dos propiedades tecnológicamente significativas: alta movilidad de agujeros y alta conductividad térmica. Ambas predicciones fueron confirmadas experimentalmente este año y los investigadores que las hicieron son honrados en nuestro Los 10 principales avances de 2022. Pero no ha parado ahí, a finales de este año. Usama Choudry y sus colegas de la Universidad de California, Santa Bárbara y la Universidad de Houston usaron microscopía electrónica ultrarrápida de barrido para confirmar que los electrones "calientes" en el arseniuro de boro cúbico tienen una vida útil prolongada. Esta es otra propiedad muy deseable que podría resultar útil en el desarrollo de células solares y detectores de luz.
Se estima que el 20% de toda la electricidad utilizada a nivel mundial se gasta en refrigeración y aire acondicionado convencionales por compresión de vapor. Además, los refrigerantes utilizados en estos sistemas son potentes gases de efecto invernadero que contribuyen significativamente al calentamiento global. Como resultado, los científicos están tratando de desarrollar sistemas de refrigeración más amigables con el medio ambiente. Ahora, Pengwu y sus colegas de la Universidad Tecnológica de Shanghái han creado un sistema de enfriamiento calórico de estado sólido que utiliza campos eléctricos, en lugar de campos magnéticos, para crear tensión en un material. Esto es importante porque los campos eléctricos son mucho más fáciles y económicos de implementar que los campos magnéticos. Además, el efecto se produce a temperatura ambiente, lo cual es un requisito importante para un sistema de refrigeración práctico.
Vamos a exprimir un material maravilloso más en el resumen de este año, y ese es el grafeno de ángulo mágico. Esto se crea cuando las capas de grafeno se rotan entre sí, creando una superred Moiré que tiene una variedad de propiedades que dependen del ángulo de giro. Ahora, Jia Li y sus colegas de la Universidad de Brown en los EE. UU. han utilizado grafeno de ángulo mágico para crear un material que exhibe tanto magnetismo como superconductividad, propiedades que generalmente se encuentran en los extremos opuestos del espectro en la física de la materia condensada. El equipo interrelacionó el grafeno de ángulo mágico con el material 2D de diseleniuro de tungsteno. La compleja interacción entre los dos materiales permitió a los investigadores transformar el grafeno de un superconductor a un poderoso ferroimán. Este logro podría brindar a los físicos una nueva forma de estudiar la interacción entre estos dos fenómenos generalmente separados.
