Les matériaux et les nanotechnologies sont des domaines florissants pour les physiciens, qui bénéficient souvent de collaborations avec des chimistes, des biologistes, des ingénieurs et, bien sûr, des scientifiques des matériaux. Cela rend les matériaux et la nanotechnologie fascinants à écrire, et cette année n'a pas fait exception. Voici une sélection de certains de nos articles de recherche sur les matériaux et les nanotechnologies préférés que nous avons publiés en 2022.
L'intégration des nanomatériaux aux organismes vivants est un sujet d'actualité, c'est pourquoi cette recherche sur la "nanobionique héritée" figure sur notre liste. Ardémis Boghossian à l'EPFL en Suisse et ses collègues ont montré que certaines bactéries assimilent les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT). De plus, lorsque les cellules bactériennes se séparent, les SWCNT sont répartis entre les cellules filles. L'équipe a également découvert que les bactéries contenant des SWCNT produisent beaucoup plus d'électricité lorsqu'elles sont éclairées par la lumière que les bactéries sans nanotubes. En conséquence, la technique pourrait être utilisée pour faire pousser des cellules solaires vivantes, qui, en plus de générer de l'énergie propre, ont également une empreinte carbone négative lors de la fabrication.
Une grande partie du patrimoine culturel mondial existe sous forme matérielle et les scientifiques jouent un rôle important dans la préservation du passé pour les générations futures. En Suisse et en Allemagne, des chercheurs ont utilisé une technique d'imagerie avancée et non invasive pour aider à restaurer des objets médiévaux recouverts de zwischgold. Il s'agit d'un matériau hautement sophistiqué composé d'une couche d'or ultrafine doublée d'une couche d'argent plus épaisse. Zwischgold se détériore au fil des siècles, mais les experts n'étaient pas sûrs de sa structure d'origine et de son évolution avec le temps, ce qui rend la restauration difficile. Maintenant, une équipe dirigée par Qing Wu au Haute école spécialisée et arts appliqués de Suisse occidentale ainsi que Benjamin Watts à l'Institut Paul Scherrer ont utilisé une technique avancée de diffraction des rayons X pour montrer que le zwischgold a une couche d'or de 30 nm d'épaisseur, par rapport à la feuille d'or, qui est généralement de 140 nm. Ils ont également pu comprendre comment le matériau commence à se séparer des surfaces.
Le terme "matériau merveilleux" est probablement surutilisé, mais ici à Monde de la physique nous pensons qu'il s'agit d'une description appropriée des pérovskites - des matériaux semi-conducteurs dotés de propriétés qui les rendent adaptés à la fabrication de cellules solaires. Cependant, les dispositifs à pérovskite ont leurs inconvénients, dont certains sont liés aux défauts de surface et à la migration des ions. Ces problèmes sont exacerbés par la chaleur et l'humidité - les conditions mêmes que les cellules solaires pratiques doivent endurer. Maintenant, Stefan De Wolf à l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah en Arabie saoudite et ses collègues ont créé un dispositif de pérovskite composé de couches 2D et 3D plus résistantes à la chaleur et à l'humidité. En effet, les couches 2D agissent comme une barrière, empêchant à la fois la migration de l'eau et des ions d'affecter les parties 3D de l'appareil.
La conservation du moment cinétique est une pierre angulaire de la physique. C'est pourquoi les scientifiques étaient intrigués par le sort du spin dans certains aimants, qui semblent disparaître lorsque les matériaux sont bombardés par des impulsions laser ultracourtes. Désormais, les chercheurs du Université de Constance en Allemagne ont découvert que ce moment cinétique « perdu » est en fait transféré des électrons aux vibrations du réseau cristallin du matériau en quelques centaines de femtosecondes. Le déclenchement d'impulsions laser sur des matériaux magnétiques peut être utilisé pour stocker et récupérer des données, donc comprendre comment le moment cinétique est transféré pourrait conduire à de meilleurs systèmes de stockage. L'expérience de Constance pourrait également conduire au développement de nouvelles façons de manipuler le spin, ce qui pourrait bénéficier au développement de dispositifs spintroniques.
En parlant de matériaux merveilleux, 2022 était l'année de l'arséniure de bore cubique. On avait prédit que ce semi-conducteur avait deux propriétés technologiquement importantes - une mobilité élevée des trous et une conductivité thermique élevée. Ces deux prédictions ont été confirmées expérimentalement cette année et les chercheurs qui l'ont fait sont honorés dans notre Top 10 des percées de 2022. Mais ça ne s'est pas arrêté là, plus tard cette année Oussama Choudhry et des collègues de l'Université de Californie à Santa Barbara et de l'Université de Houston ont utilisé la microscopie électronique à balayage ultrarapide pour confirmer que les électrons «chauds» dans l'arséniure de bore cubique ont de longues durées de vie. Il s'agit d'une autre propriété hautement souhaitable qui pourrait s'avérer utile dans le développement de cellules solaires et de détecteurs de lumière.
On estime que 20 % de toute l'électricité utilisée dans le monde est consacrée à la réfrigération et à la climatisation conventionnelles à compression de vapeur. De plus, les réfrigérants utilisés dans ces systèmes sont de puissants gaz à effet de serre qui contribuent de manière significative au réchauffement climatique. En conséquence, les scientifiques tentent de développer des systèmes de réfrigération plus respectueux de l'environnement. Maintenant, Peng Wu et des collègues de la Shanghai Tech University ont créé un système de refroidissement calorique à l'état solide qui utilise des champs électriques plutôt que des champs magnétiques pour créer une contrainte dans un matériau. Ceci est important car les champs électriques sont beaucoup plus faciles et beaucoup moins chers à mettre en œuvre que les champs magnétiques. De plus, l'effet se produit à température ambiante, ce qui est une condition importante pour un système de refroidissement pratique.
Nous allons insérer un autre matériau merveilleux dans le tour d'horizon de cette année, et c'est le graphène à angle magique. Ceci est créé lorsque les couches de graphène sont tournées les unes par rapport aux autres, créant un super-réseau Moiré qui a une gamme de propriétés qui dépendent de l'angle de la torsion. Maintenant, Jia li et des collègues de l'Université Brown aux États-Unis ont utilisé du graphène à angle magique pour créer un matériau qui présente à la fois du magnétisme et de la supraconductivité - des propriétés qui se situent généralement aux extrémités opposées du spectre en physique de la matière condensée. L'équipe a interfacé le graphène à angle magique avec le matériau 2D diséléniure de tungstène. L'interaction complexe entre les deux matériaux a permis aux chercheurs de transformer le graphène d'un supraconducteur en un puissant ferromagnétique. Cette réalisation pourrait donner aux physiciens une nouvelle façon d'étudier l'interaction entre ces deux phénomènes habituellement distincts.
