Bahan dan nanoteknologi adalah bidang yang berkembang pesat bagi fisikawan, yang sering mendapat manfaat dari kolaborasi dengan ahli kimia, ahli biologi, insinyur, dan, tentu saja, ilmuwan material. Hal ini membuat material dan nanoteknologi menarik untuk ditulis, dan tahun ini tidak terkecuali. Berikut adalah pilihan dari beberapa cerita penelitian material dan nanoteknologi favorit kami yang kami publikasikan pada tahun 2022.
Integrasi bahan nano dengan organisme hidup adalah topik hangat, itulah sebabnya penelitian tentang "nanobionik yang diwariskan" ini ada dalam daftar kami. Ardemis Boghossian di EPFL di Swiss dan rekan telah menunjukkan bahwa bakteri tertentu akan mengambil karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNTs). Terlebih lagi, ketika sel bakteri membelah, SWCNT didistribusikan di antara sel anak. Tim juga menemukan bahwa bakteri yang mengandung SWCNT menghasilkan listrik yang jauh lebih banyak ketika diterangi dengan cahaya daripada bakteri tanpa tabung nano. Hasilnya, teknik ini dapat digunakan untuk menumbuhkan sel surya hidup, yang selain menghasilkan energi bersih, juga memiliki jejak karbon negatif dalam proses manufaktur.
Sebagian besar warisan budaya dunia ada dalam bentuk material dan para ilmuwan memainkan peran penting dalam melestarikan masa lalu untuk generasi mendatang. Di Swiss dan Jerman, para peneliti telah menggunakan teknik pencitraan non-invasif yang canggih untuk membantu memulihkan benda-benda abad pertengahan yang tercakup dalam zwischgold. Ini adalah bahan yang sangat canggih yang terdiri dari lapisan emas sangat tipis yang didukung oleh lapisan perak yang lebih tebal. Zwischgold memburuk selama berabad-abad, tetapi para ahli tidak yakin dengan struktur aslinya dan bagaimana perubahannya seiring waktu, membuat pemulihan menjadi sulit. Sekarang, sebuah tim yang dipimpin oleh Qing Wu di Universitas Sains Terapan dan Seni Swiss Barat dan Benyamin Watts di Institut Paul Scherrer telah menggunakan teknik difraksi sinar-X canggih untuk menunjukkan bahwa zwischgold memiliki lapisan emas setebal 30 nm, dibandingkan dengan daun emas, yang biasanya 140 nm. Mereka juga mendapatkan wawasan tentang bagaimana material mulai terpisah dari permukaan.
Istilah "bahan ajaib" mungkin terlalu sering digunakan, tetapi di sini Dunia Fisika kami pikir ini adalah deskripsi yang tepat untuk perovskites – bahan semikonduktor dengan sifat yang membuatnya cocok untuk membuat sel surya. Namun, perangkat perovskite memiliki kelemahan, beberapa di antaranya terkait dengan cacat permukaan dan migrasi ion. Masalah ini diperparah oleh panas dan kelembapan – kondisi yang harus dialami oleh sel surya praktis. Sekarang, Stefan De Wolf di Universitas Sains dan Teknologi King Abdullah di Arab Saudi dan rekannya telah menciptakan perangkat perovskite yang terbuat dari lapisan 2D dan 3D yang lebih tahan terhadap panas dan kelembapan. Ini karena lapisan 2D bertindak sebagai penghalang, menghentikan migrasi air dan ion agar tidak memengaruhi bagian 3D perangkat.
Kekekalan momentum sudut adalah landasan fisika. Inilah mengapa para ilmuwan dibuat bingung dengan nasib spin di beberapa magnet, yang tampaknya menghilang saat material dibombardir oleh pulsa laser ultrapendek. Sekarang, para peneliti di Universitas Konstanz di Jerman telah menemukan bahwa momentum sudut yang "hilang" ini sebenarnya ditransfer dari elektron ke getaran kisi kristal material dalam beberapa ratus femtosekon. Penembakan pulsa laser pada bahan magnetik dapat digunakan untuk menyimpan dan mengambil data, jadi memahami bagaimana momentum sudut ditransfer dapat menghasilkan sistem penyimpanan yang lebih baik. Eksperimen Konstanz juga dapat mengarah pada pengembangan cara baru untuk memanipulasi putaran – yang dapat bermanfaat bagi pengembangan perangkat spintronik.
Berbicara tentang bahan ajaib, 2022 adalah tahun kubik boron arsenida. Semikonduktor ini telah diprediksi memiliki dua sifat teknologi yang signifikan – mobilitas lubang yang tinggi dan konduktivitas termal yang tinggi. Kedua prediksi ini dikonfirmasi secara eksperimental tahun ini dan para peneliti yang melakukannya merasa terhormat 10 Terobosan Teratas 2022. Tapi itu belum berhenti di situ, akhir tahun ini Usama Choudhry dan rekan-rekannya di University of California, Santa Barbara, dan University of Houston menggunakan pemindaian mikroskop elektron ultracepat untuk mengonfirmasi bahwa elektron "panas" dalam kubik boron arsenida memiliki masa pakai yang lama. Ini adalah properti lain yang sangat diinginkan yang terbukti berguna dalam pengembangan sel surya dan detektor cahaya.
Diperkirakan bahwa 20% dari semua listrik yang digunakan secara global dihabiskan untuk pendingin dan penyejuk udara kompresi uap konvensional. Selain itu, refrigeran yang digunakan dalam sistem ini adalah gas rumah kaca yang sangat kuat yang berkontribusi secara signifikan terhadap pemanasan global. Akibatnya, para ilmuwan berusaha mengembangkan sistem pendingin yang lebih ramah lingkungan. Sekarang, Peng Wu dan rekan-rekannya di Shanghai Tech University telah menciptakan sistem pendingin kalori padat yang menggunakan medan listrik, bukan medan magnet untuk menciptakan ketegangan pada suatu material. Ini penting karena medan listrik jauh lebih mudah dan lebih murah untuk diimplementasikan daripada medan magnet. Terlebih lagi, efeknya terjadi pada suhu ruangan – yang merupakan persyaratan penting untuk sistem pendinginan yang praktis.
Kami akan memeras satu lagi bahan ajaib ke dalam pengumpulan tahun ini, dan itu adalah graphene sudut ajaib. Ini dibuat ketika lapisan graphene diputar relatif satu sama lain, menciptakan superlattice Moiré yang memiliki berbagai sifat yang bergantung pada sudut puntiran. Sekarang, Jia li dan rekannya di Brown University di AS telah menggunakan graphene sudut ajaib untuk membuat bahan yang menunjukkan magnetisme dan superkonduktivitas – sifat yang biasanya berada di ujung spektrum yang berlawanan dalam fisika benda terkondensasi. Tim menghubungkan graphene sudut ajaib dengan bahan 2D tungsten diselenide. Interaksi kompleks antara kedua bahan tersebut memungkinkan para peneliti mengubah graphene dari superkonduktor menjadi feromagnet yang kuat. Pencapaian ini dapat memberi fisikawan cara baru untuk mempelajari interaksi antara dua fenomena yang biasanya terpisah ini.
