Az anyagok és a nanotechnológia virágzó terület a fizikusok számára, akik gyakran profitálnak a vegyészekkel, biológusokkal, mérnökökkel és természetesen anyagtudósokkal való együttműködésből. Ez lenyűgözővé teszi az anyagokról és a nanotechnológiáról szóló írást, és ez alól az idei év sem volt kivétel. Íme egy válogatás kedvenc anyagainkból és nanotechnológiai kutatási történeteinkből, amelyeket 2022-ben tettünk közzé.
A nanoanyagok élő szervezetekkel való integrációja forró téma, ezért szerepel a listánkon ez az „öröklött nanobionikával” kapcsolatos kutatás. Ardemis Boghossian a svájci EPFL és munkatársai kimutatták, hogy bizonyos baktériumok felveszik az egyfalú szén nanocsöveket (SWCNT). Sőt, amikor a baktériumsejtek osztódnak, az SWCNT-k eloszlanak a leánysejtek között. A csapat azt is megállapította, hogy az SWCNT-t tartalmazó baktériumok lényegesen több elektromosságot termelnek fénnyel megvilágítva, mint a nanocsövek nélküli baktériumok. Ennek eredményeként a technikát élő napelemek termesztésére lehetne használni, amelyek a tiszta energia előállításán kívül negatív szénlábnyommal is rendelkeznek, ha gyártásról van szó.
A világ kulturális örökségének nagy része anyagi formában létezik, és a tudósok fontos szerepet játszanak a múlt megőrzésében a jövő generációi számára. Svájcban és Németországban a kutatók fejlett, nem invazív képalkotó technikát alkalmaztak a zwischgolddal borított középkori tárgyak helyreállítására. Ez egy rendkívül kifinomult anyag, amely ultravékony aranyréteget tartalmaz, amelyet vastagabb ezüstréteg támaszt alá. A Zwischgold az évszázadok során romlik, de a szakértők nem voltak biztosak eredeti szerkezetében és abban, hogyan változik az idő múlásával, ami megnehezíti a helyreállítást. Most, egy csapat által vezetett Qing Wu a Nyugat-Svájc Alkalmazott Tudományok és Művészeti Egyeteme és a Benjamin Watts A Paul Scherrer Intézetben fejlett röntgendiffrakciós technikát alkalmaztak annak kimutatására, hogy a zwischgold 30 nm vastag aranyréteggel rendelkezik, szemben az aranylevéllel, amely általában 140 nm. Betekintést nyertek abba is, hogy az anyag hogyan kezd elválni a felületektől.
A „csodaanyag” kifejezést valószínűleg túlságosan használják, de itt a Fizika Világa úgy gondoljuk, hogy ez találó leírása a perovszkitoknak – olyan félvezető anyagoknak, amelyek tulajdonságai alkalmassá teszik őket napelemek gyártására. A perovszkit eszközöknek azonban vannak árnyoldalai is, amelyek közül néhány a felületi hibákkal és az ionvándorlással kapcsolatos. Ezeket a problémákat súlyosbítja a hő és a páratartalom – pontosan ezek a körülmények, amelyeket a gyakorlati napelemeknek el kell viselniük. Most, Stefan De Wolf a szaúd-arábiai Abdullah Király Tudományos és Technológiai Egyetemen és munkatársai egy 2D és 3D rétegekből készült perovszkit eszközt készítettek, amely jobban ellenáll a hőnek és a nedvességnek. Ennek az az oka, hogy a 2D rétegek gátként működnek, és megakadályozzák, hogy a víz és az ionok migrációja befolyásolja az eszköz 3D részeit.
A szögimpulzus megőrzése a fizika egyik alapköve. Ez az oka annak, hogy a tudósok értetlenül álltak egyes mágnesekben a forgás sorsa előtt, amely úgy tűnt, hogy eltűnik, amikor az anyagokat ultrarövid lézerimpulzusok bombázzák. Most a kutatók a Konstanzi Egyetem Németországban azt találták, hogy ez az „elveszett” szögimpulzus valójában néhány száz femtoszekundum alatt átkerül az elektronokból az anyag kristályrácsának rezgéseibe. A lézerimpulzusok mágneses anyagokra való tüzelése felhasználható adatok tárolására és visszanyerésére, így a szögimpulzusok átvitelének megértése jobb tárolási rendszereket eredményezhet. A Konstanz-kísérlet a spin manipulálásának új módjainak kifejlesztéséhez is vezethet – ami a spintronikus eszközök fejlesztésének is előnyös lehet.
Ha már a csodaanyagokról beszélünk, 2022 a köbös bór-arzenid éve volt. Ennek a félvezetőnek két technológiailag jelentős tulajdonságát jósolták: nagy lyukmobilitást és nagy hővezető képességet. Mindkét jóslat ebben az évben kísérletileg beigazolódott, és a kutatók, akik ezt megtették, elismerésben részesülnek 10 2022 legjobb áttörése. De ez még ebben az évben nem állt meg Osama Choudhry és munkatársai a Kaliforniai Egyetemen (Santa Barbara) és a Houstoni Egyetemen pásztázó ultragyors elektronmikroszkóppal igazolták, hogy a köbös bór-arzenidben lévő „forró” elektronok élettartama hosszú. Ez egy másik nagyon kívánatos tulajdonság, amely hasznosnak bizonyulhat napelemek és fénydetektorok fejlesztésében.
Becslések szerint a világszerte felhasznált villamos energia 20%-át a hagyományos gőzsűrítésű hűtésre és légkondicionálásra fordítják. Ezenkívül az ezekben a rendszerekben használt hűtőközegek erős üvegházhatású gázok, amelyek jelentősen hozzájárulnak a globális felmelegedéshez. Ennek eredményeként a tudósok környezetbarátabb hűtőrendszereket próbálnak kifejleszteni. Most, Peng Wu és munkatársai a Shanghai Műszaki Egyetemen olyan szilárdtest kalóriahűtési rendszert hoztak létre, amely elektromos mezőket használ, nem pedig mágneses mezőket, hogy feszültséget keltsen az anyagban. Ez azért fontos, mert az elektromos mezőket sokkal egyszerűbb és olcsóbb megvalósítani, mint a mágneses tereket. Sőt, a hatás szobahőmérsékleten jelentkezik – ami egy praktikus hűtőrendszer fontos követelménye.
Az idei év összesítésébe még egy csodaanyagot fogunk szorítani, ez pedig a varázsszögű grafén. Ez akkor jön létre, amikor a grafénrétegeket egymáshoz képest elforgatják, és egy Moiré szuperrács jön létre, amelynek számos tulajdonsága van, amelyek a csavarás szögétől függenek. Most, Jia li és munkatársai az amerikai Brown Egyetemen varázsszög-grafén segítségével olyan anyagot hoztak létre, amely egyaránt mutat mágnesességet és szupravezetést – a kondenzált anyag fizikában ezek a tulajdonságok általában a spektrum ellenkező végén találhatók. A csapat összekapcsolta a varázsszögű grafént a volfrám-diszelenid 2D-s anyaggal. A két anyag közötti összetett kölcsönhatás lehetővé tette a kutatóknak, hogy a grafént szupravezetőből erős ferromágnessé alakítsák át. Ez az eredmény új módot adhat a fizikusok számára e két általában különálló jelenség kölcsönhatásának tanulmányozására.
