Materjalid ja nanotehnoloogia on füüsikute jaoks edukad valdkonnad, kes saavad sageli kasu koostööst keemikute, bioloogide, inseneride ja loomulikult materjaliteadlastega. See teeb materjalidest ja nanotehnoloogiast kirjutamise põnevaks ning see aasta pole olnud erand. Siin on valik meie lemmikmaterjalidest ja nanotehnoloogia uurimislugudest, mille avaldasime 2022. aastal.
Nanomaterjalide integreerimine elusorganismidega on kuum teema, mistõttu on see päriliku nanobioonika uurimine meie nimekirjas. Ardemis Boghossian EPFL-is Šveitsis ja kolleegid on näidanud, et teatud bakterid võtavad endasse ühe seinaga süsinik-nanotorusid (SWCNT). Veelgi enam, kui bakterirakud jagunevad, jaotuvad SWCNT-d tütarrakkude vahel. Meeskond leidis ka, et SWCNT-sid sisaldavad bakterid toodavad valgusega valgustamisel oluliselt rohkem elektrit kui ilma nanotorudeta bakterid. Selle tulemusel saaks seda tehnikat kasutada elavate päikesepatareide kasvatamiseks, millel on lisaks puhta energia tootmisele ka tootmisel negatiivne süsiniku jalajälg.
Suur osa maailma kultuuripärandist eksisteerib materiaalsel kujul ja teadlastel on oluline roll mineviku säilitamisel tulevastele põlvedele. Šveitsis ja Saksamaal on teadlased kasutanud täiustatud, mitteinvasiivset pildistamistehnikat, et aidata taastada keskaegseid esemeid, mis on kaetud zwischgoldiga. See on väga keerukas materjal, mis koosneb üliõhukesest kullakihist, mida toetab paksem hõbedakiht. Zwischgold on sajandite jooksul halvenenud, kuid eksperdid ei olnud kindlad selle algses struktuuris ja selle muutumises aja jooksul, muutes taastamise keeruliseks. Nüüd on Qing Wu juhitud meeskond Lääne-Šveitsi rakendusteaduste ja kunstide ülikool ja Benjamin Watts on Paul Scherreri instituudis kasutanud täiustatud röntgendifraktsioonitehnikat, et näidata, et zwischgoldil on 30 nm paksune kullakiht, võrreldes kullalehega, mis on tavaliselt 140 nm. Samuti said nad ülevaate sellest, kuidas materjal hakkab pindadest eralduma.
Mõistet "imematerjal" kasutatakse ilmselt üle, kuid siin on Füüsika maailm arvame, et see on perovskiitide tabav kirjeldus – pooljuhtmaterjalid, mille omadused muudavad need sobivaks päikesepatareide valmistamiseks. Perovskiitseadmetel on aga oma varjuküljed, millest osa on seotud pinnadefektide ja ioonide migratsiooniga. Neid probleeme süvendavad kuumus ja niiskus – just need tingimused, mida praktilised päikesepatareid peavad taluma. Nüüd Stefan de Wolf Saudi Araabia King Abdullahi teaduse ja tehnoloogia ülikoolis on koos kolleegidega loonud 2D- ja 3D-kihtidest valmistatud perovskiitseadme, mis on kuumusele ja niiskusele vastupidavam. Seda seetõttu, et 2D-kihid toimivad barjäärina, takistades nii vee kui ka ioonide migratsiooni seadme 3D-osi mõjutamast.
Nurkmomendi säilitamine on füüsika nurgakivi. Seetõttu olid teadlased hämmingus mõne magneti spinni saatuse üle, mis näis kaduvat, kui materjale pommitatakse ülilühikeste laserimpulssidega. Nüüd, teadlased Konstanzi ülikool Saksamaal on leidnud, et see "kaotatud" nurkimpulss kandub tegelikult mõnesaja femtosekundi jooksul elektronidelt üle materjali kristallvõre vibratsioonile. Laserimpulsside käivitamist magnetmaterjalidele saab kasutada andmete salvestamiseks ja hankimiseks, nii et nurkmomendi ülekandmise mõistmine võib kaasa tuua paremad salvestussüsteemid. Konstanzi eksperiment võib viia ka uute spinniga manipuleerimise viiside väljatöötamiseni, mis võib olla kasulik spintrooniliste seadmete arendamisele.
Rääkides imematerjalidest, siis 2022. aasta oli kuupmeetri boorarseniidi aasta. Sellel pooljuhil oli ennustatud kaks tehnoloogiliselt olulist omadust – aukude suur liikuvus ja kõrge soojusjuhtivus. Mõlemad ennustused said sel aastal eksperimentaalselt kinnitust ja seda teinud teadlased on meil austatud 10. aasta 2022 parimat läbimurret. Kuid see ei ole sellega lõppenud, hiljem sel aastal Osama Choudhry ja kolleegid California ülikoolist, Santa Barbarast ja Houstoni ülikoolist kasutasid skaneerivat ülikiire elektronmikroskoopiat, et kinnitada, et kuupmeetrises boorarseniidis olevad kuumad elektronid on pika elueaga. See on veel üks väga soovitav omadus, mis võib osutuda kasulikuks päikesepatareide ja valgusdetektorite arendamisel.
Hinnanguliselt kulutatakse 20% kogu maailmas kasutatavast elektrienergiast tavapärasele auruga kokkusurutud külmutusseadmetele ja kliimaseadmetele. Lisaks on nendes süsteemides kasutatavad külmutusagensid võimsad kasvuhoonegaasid, mis aitavad märkimisväärselt kaasa globaalsele soojenemisele. Selle tulemusena püüavad teadlased välja töötada keskkonnasõbralikumaid jahutussüsteeme. Nüüd Peng Wu ja kolleegid Shanghai tehnikaülikoolist on loonud tahkis-kalorite jahutussüsteemi, mis kasutab materjalis pinge tekitamiseks magnetvälja asemel elektrivälju. See on oluline, kuna elektrivälju on palju lihtsam ja palju odavam rakendada kui magnetvälju. Veelgi enam, efekt ilmneb toatemperatuuril – mis on praktilise jahutussüsteemi oluline nõue.
Pigistame selle aasta kokkuvõttesse veel ühe imematerjali ja selleks on võlunurga grafeen. See tekib siis, kui grafeenikihte pööratakse üksteise suhtes, luues Moiré supervõre, millel on hulk omadusi, mis sõltuvad keerdumise nurgast. Nüüd Jia li ja kolleegid USA-s Browni ülikoolist on kasutanud maagilise nurga grafeeni, et luua materjal, millel on nii magnetism kui ka ülijuhtivus – omadused, mis on kondenseerunud aine füüsikas tavaliselt spektri vastasotstes. Meeskond ühendas maagilise nurga grafeeni 2D materjali volframdiseleniidiga. Kahe materjali keeruline koostoime võimaldas teadlastel muuta ülijuhist grafeeni võimsaks ferromagnetiks. See saavutus võib anda füüsikutele uue võimaluse uurida nende kahe tavaliselt eraldiseisva nähtuse koosmõju.
