Materiaalit ja nanoteknologia ovat kukoistavia aloja fyysikoille, jotka usein hyötyvät yhteistyöstä kemistien, biologien, insinöörien ja tietysti materiaalitutkijoiden kanssa. Tämä tekee materiaaleista ja nanoteknologiasta kiehtovaa kirjoittaa, eikä tämä vuosi ole ollut poikkeus. Tässä on valikoima suosikkimateriaaleistamme ja nanoteknologian tutkimustarinoistamme, jotka julkaisimme vuonna 2022.
Nanomateriaalien integroiminen eläviin organismeihin on kuuma aihe, minkä vuoksi tämä "perinnöllisen nanobioniikan" tutkimus on listallamme. Ardemis Boghossian EPFL:ssä Sveitsissä ja kollegat ovat osoittaneet, että tietyt bakteerit keräävät yksiseinäisiä hiilinanoputkia (SWCNT). Lisäksi kun bakteerisolut jakautuvat, SWCNT:t jakautuvat tytärsolujen kesken. Tiimi havaitsi myös, että SWCNT:itä sisältävät bakteerit tuottavat huomattavasti enemmän sähköä valolla valaistuna kuin bakteerit ilman nanoputkia. Tämän seurauksena tekniikkaa voitaisiin käyttää elävien aurinkokennojen kasvattamiseen, jotka tuottavat puhdasta energiaa, ja niillä on myös negatiivinen hiilijalanjälki valmistuksessa.
Suuri osa maailman kulttuuriperinnöstä on olemassa aineellisessa muodossa, ja tutkijoilla on tärkeä rooli menneisyyden säilyttämisessä tuleville sukupolville. Sveitsissä ja Saksassa tutkijat ovat käyttäneet kehittynyttä, ei-invasiivista kuvantamistekniikkaa auttaakseen palauttamaan keskiaikaisia esineitä, jotka on peitetty zwischgoldilla. Tämä on erittäin hienostunut materiaali, joka sisältää erittäin ohuen kultakerroksen, jonka taustalla on paksumpi hopeakerros. Zwischgold on huonontunut vuosisatojen aikana, mutta asiantuntijat eivät olleet varmoja sen alkuperäisestä rakenteesta ja siitä, miten se muuttuu ajan myötä, mikä teki entisöinnin vaikeaksi. Nyt Qing Wun johtama ryhmä Länsi-Sveitsin ammattikorkeakoulu ja Benjamin Watts Paul Scherrer Institutessa ovat käyttäneet kehittynyttä röntgendiffraktiotekniikkaa osoittaakseen, että zwischgoldissa on 30 nm paksu kultakerros verrattuna lehtikulta, joka on tyypillisesti 140 nm. He saivat myös käsityksen siitä, kuinka materiaali alkaa erottua pinnoista.
Termiä "ihmemateriaali" käytetään luultavasti liikaa, mutta tässä osoitteessa Fysiikan maailma mielestämme se on osuva kuvaus perovskiiteista – puolijohdemateriaaleista, joiden ominaisuudet tekevät niistä sopivia aurinkokennojen valmistukseen. Perovskiittilaitteilla on kuitenkin haittapuolensa, joista osa liittyy pintavirheisiin ja ionien kulkeutumiseen. Näitä ongelmia pahentavat kuumuus ja kosteus – juuri ne olosuhteet, jotka käytännöllisten aurinkokennojen on kestettävä. Nyt, Stefan de Wolf King Abdullahin tiede- ja teknologiayliopistossa Saudi-Arabiassa ja kollegat ovat luoneet 2D- ja 3D-kerroksista tehdyn perovskiittilaitteen, joka kestää paremmin lämpöä ja kosteutta. Tämä johtuu siitä, että 2D-kerrokset toimivat esteenä ja estävät sekä veden että ionien kulkeutumisen vaikuttamasta laitteen 3D-osiin.
Liikemäärän säilyminen on fysiikan kulmakivi. Tästä syystä tiedemiehet olivat ymmällään joidenkin magneettien spinin kohtalosta, jotka näyttivät katoavan, kun materiaaleja pommitetaan ultralyhyillä laserpulsseilla. Nyt tutkijat Konstanzin yliopisto Saksassa ovat havainneet, että tämä "kadonnut" kulmamomentti itse asiassa siirtyy elektroneista materiaalin kidehilan värähtelyihin muutaman sadan femtosekunnin sisällä. Laserpulssien laukaisua magneettisiin materiaaleihin voidaan käyttää tietojen tallentamiseen ja hakemiseen, joten kulmamomentin siirtämisen ymmärtäminen voi johtaa parempiin tallennusjärjestelmiin. Konstanzin kokeilu voi myös johtaa uusien tapojen kehittämiseen spinin manipuloimiseksi – mikä voisi hyödyttää spintronisten laitteiden kehitystä.
Ihmemateriaaleista puheen ollen, vuosi 2022 oli kuutiometrisen booriarsenidin vuosi. Tällä puolijohteella oli ennustettu olevan kaksi teknisesti merkittävää ominaisuutta – suuri reiän liikkuvuus ja korkea lämmönjohtavuus. Molemmat ennusteet vahvistettiin kokeellisesti tänä vuonna, ja sen tehneet tutkijat ovat kunniassa Vuoden 10 2022 parasta läpimurtoa. Mutta se ei ole pysähtynyt tähän, myöhemmin tänä vuonna Osama Choudhry ja kollegat Kalifornian yliopistosta Santa Barbarasta ja Houstonin yliopistosta käyttivät pyyhkäisevää ultranopeaa elektronimikroskopiaa vahvistaakseen, että kuutiometrisen booriarsenidin "kuumilla" elektroneilla on pitkä käyttöikä. Tämä on toinen erittäin toivottava ominaisuus, joka voi osoittautua hyödylliseksi aurinkokennojen ja valoilmaisimien kehittämisessä.
On arvioitu, että 20 % kaikesta maailmanlaajuisesti käytetystä sähköstä kuluu tavanomaiseen höyrynpuristusjäähdytykseen ja ilmastointiin. Lisäksi näissä järjestelmissä käytetyt kylmäaineet ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, jotka edistävät merkittävästi ilmaston lämpenemistä. Tämän seurauksena tutkijat yrittävät kehittää ympäristöystävällisempiä jäähdytysjärjestelmiä. Nyt, Peng Wu ja kollegat Shanghain teknillisestä yliopistosta ovat luoneet solid-state kalorijäähdytysjärjestelmän, joka käyttää sähkökenttiä magneettikenttien sijaan materiaalin jännityksen luomiseksi. Tämä on tärkeää, koska sähkökentät ovat paljon helpompia ja halvempia toteuttaa kuin magneettikentät. Lisäksi vaikutus ilmenee huoneenlämmössä – mikä on tärkeä vaatimus käytännölliselle jäähdytysjärjestelmälle.
Aiomme puristaa vielä yhden ihmemateriaalin tämän vuoden kierrokseen, ja se on taikakulmagrafeeni. Tämä syntyy, kun grafeenikerroksia kierretään suhteessa toisiinsa, jolloin muodostuu Moiré-superhila, jolla on useita ominaisuuksia, jotka riippuvat kierteen kulmasta. Nyt, Jia li ja kollegat Brownin yliopistosta Yhdysvalloissa ovat käyttäneet taikakulmagrafeenia luodakseen materiaalia, jossa on sekä magnetismia että suprajohtavuutta – ominaisuuksia, jotka ovat yleensä spektrin vastakkaisissa päissä kondensoituneen aineen fysiikassa. Tiimi liitti taikakulmagrafeenin 2D-materiaaliin volframidiselenidin kanssa. Kahden materiaalin välinen monimutkainen vuorovaikutus mahdollisti tutkijoiden muuttamisen suprajohteesta tehokkaaksi ferromagneetiksi. Tämä saavutus voisi antaa fyysikoille uuden tavan tutkia näiden kahden tavallisesti erillisen ilmiön vuorovaikutusta.
