مواد و فناوری نانو زمینه های پررونقی برای فیزیکدانان هستند که اغلب از همکاری با شیمیدانان، زیست شناسان، مهندسان و البته دانشمندان مواد بهره می برند. این موضوع باعث می شود که نوشتن در مورد مواد و فناوری نانو جذاب باشد و امسال نیز از این قاعده مستثنی نبوده است. در اینجا منتخبی از برخی از مواد مورد علاقه ما و داستان های تحقیقاتی نانوتکنولوژی است که در سال 2022 منتشر کردیم.
ادغام نانومواد با موجودات زنده یک موضوع داغ است، به همین دلیل است که این تحقیق در مورد "نانوبیونیک های ارثی" در لیست ما قرار دارد. آردمیس بوقوسیان در EPFL در سوئیس و همکارانش نشان داده‌اند که باکتری‌های خاصی نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNT) را جذب می‌کنند. علاوه بر این، هنگامی که سلول های باکتری تقسیم می شوند، SWCNT ها در بین سلول های دختر توزیع می شوند. این تیم همچنین دریافتند که باکتری‌های حاوی SWCNTها نسبت به باکتری‌های بدون نانولوله، الکتریسیته بیشتری تولید می‌کنند که با نور روشن شوند. در نتیجه، این تکنیک می‌تواند برای رشد سلول‌های خورشیدی زنده مورد استفاده قرار گیرد که علاوه بر تولید انرژی پاک، ردپای کربن منفی در تولید دارند.
بسیاری از میراث فرهنگی جهان به شکل مادی وجود دارد و دانشمندان نقش مهمی در حفظ گذشته برای نسل های آینده ایفا می کنند. محققان در سوئیس و آلمان از یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته و غیر تهاجمی برای کمک به بازیابی اشیاء قرون وسطایی که با zwischgold پوشانده شده اند استفاده کرده اند. این یک ماده بسیار پیچیده است که از یک لایه طلای فوق نازک تشکیل شده است که توسط یک لایه ضخیم تری از نقره پشتیبانی می شود. Zwischgold در طول قرن‌ها رو به زوال می‌رود، اما کارشناسان از ساختار اصلی آن و اینکه چگونه با گذشت زمان تغییر می‌کند، مطمئن نبودند که بازسازی را دشوار می‌کند. در حال حاضر، یک تیم به رهبری چینگ وو در دانشگاه علوم کاربردی و هنر غرب سوئیس و بنجامین واتس در موسسه Paul Scherrer از یک تکنیک پراش پرتو ایکس پیشرفته برای نشان دادن اینکه zwischgold دارای یک لایه طلا به ضخامت 30 نانومتر است، در مقایسه با ورق طلا، که معمولاً 140 نانومتر است، استفاده کرده‌اند. آنها همچنین بینشی در مورد چگونگی شروع جدا شدن مواد از سطوح به دست آوردند.
احتمالاً از اصطلاح "مواد شگفت انگیز" بیش از حد استفاده شده است، اما در اینجا در دنیای فیزیک ما فکر می کنیم که این توصیف مناسبی از پروسکایت ها است - مواد نیمه هادی با خواصی که آنها را برای ساخت سلول های خورشیدی مناسب می کند. با این حال، دستگاه های پروسکایت نکات منفی خود را دارند که برخی از آنها به نقص سطح و مهاجرت یون مربوط می شود. این مشکلات با گرما و رطوبت تشدید می شوند - شرایطی که سلول های خورشیدی عملی باید تحمل کنند. اکنون، استفان دی ولف در دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله در عربستان سعودی و همکارانش یک دستگاه پروسکایت ساخته شده از لایه های دو بعدی و سه بعدی ساخته اند که در برابر گرما و رطوبت مقاوم تر است. این به این دلیل است که لایه‌های دوبعدی مانند یک مانع عمل می‌کنند و مانع از مهاجرت آب و یون می‌شوند تا بر بخش‌های سه بعدی دستگاه تأثیر بگذارند.
حفظ تکانه زاویه ای سنگ بنای فیزیک است. به همین دلیل است که دانشمندان در مورد سرنوشت چرخش در برخی آهنرباها متحیر شده بودند، که به نظر می رسید با بمباران مواد توسط پالس های لیزری فوق کوتاه ناپدید می شوند. در حال حاضر، محققان در دانشگاه کنستانتس آلمان دریافته‌اند که این تکانه زاویه‌ای «از دست رفته» در واقع از الکترون‌ها به ارتعاشات شبکه کریستالی ماده در عرض چند صد فمتوثانیه منتقل می‌شود. شلیک پالس های لیزر در مواد مغناطیسی می تواند برای ذخیره و بازیابی داده ها مورد استفاده قرار گیرد، بنابراین درک نحوه انتقال حرکت زاویه ای می تواند منجر به سیستم های ذخیره سازی بهتر شود. آزمایش Konstanz همچنین می‌تواند به توسعه راه‌های جدیدی برای دستکاری چرخش منجر شود - که می‌تواند برای توسعه دستگاه‌های اسپینترونیک مفید باشد.
وقتی صحبت از مواد شگفت انگیز شد، سال 2022 سال آرسنید بور مکعبی بود. پیش بینی شده بود که این نیمه هادی دارای دو ویژگی مهم از نظر تکنولوژیکی باشد - تحرک سوراخ بالا و هدایت حرارتی بالا. هر دوی این پیش‌بینی‌ها امسال به‌طور آزمایشی تأیید شدند و محققانی که این کار را انجام دادند در ما تجلیل شدند 10 پیشرفت برتر سال 2022. اما اواخر امسال به همین جا متوقف نشد اسامه چودری و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، و دانشگاه هیوستون از میکروسکوپ الکترونی فوق سریع روبشی استفاده کردند تا تایید کنند که الکترون‌های "گرم" موجود در آرسنید بور مکعبی دارای طول عمر طولانی هستند. این یکی دیگر از ویژگی های بسیار مطلوب است که می تواند در توسعه سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نور مفید باشد.
تخمین زده می شود که 20 درصد از کل برق مصرفی در سطح جهان صرف تبرید و تهویه مطبوع معمولی تراکم بخار می شود. علاوه بر این، مبردهای مورد استفاده در این سیستم ها گازهای گلخانه ای قدرتمندی هستند که به طور قابل توجهی در گرم شدن زمین نقش دارند. در نتیجه، دانشمندان در تلاش برای توسعه سیستم های تبرید سازگار با محیط زیست هستند. اکنون، پنگ وو و همکارانش در دانشگاه فناوری شانگهای یک سیستم خنک کننده کالری حالت جامد ایجاد کرده اند که از میدان های الکتریکی به جای میدان های مغناطیسی برای ایجاد فشار در یک ماده استفاده می کند. این مهم است زیرا میدان های الکتریکی بسیار ساده تر و ارزان تر از میدان های مغناطیسی اجرا می شوند. علاوه بر این، این اثر در دمای اتاق رخ می دهد - که یک نیاز مهم برای یک سیستم خنک کننده عملی است.
ما می‌خواهیم یک ماده شگفت‌انگیز دیگر را در جمع‌بندی امسال بچکانیم، و آن گرافن با زاویه جادویی است. این زمانی ایجاد می‌شود که لایه‌های گرافن نسبت به یکدیگر بچرخند و یک ابرشبکه Moiré ایجاد می‌شود که دارای طیف وسیعی از خواص است که به زاویه پیچش بستگی دارد. اکنون، جیا لی و همکارانش در دانشگاه براون در ایالات متحده از گرافن با زاویه جادویی برای ایجاد ماده‌ای استفاده کرده‌اند که هم مغناطیس و هم ابررسانایی را نشان می‌دهد – خواصی که معمولاً در دو انتهای طیف در فیزیک ماده متراکم قرار دارند. این تیم گرافن با زاویه جادویی را با ماده دو بعدی تنگستن دیزلنید پیوند داد. تعامل پیچیده بین این دو ماده به محققان این امکان را داد تا گرافن را از یک ابررسانا به یک فرومغناطیس قدرتمند تبدیل کنند. این دستاورد می تواند به فیزیکدانان راه جدیدی برای مطالعه تعامل بین این دو پدیده معمولاً مجزا بدهد.
