Sono molti i fisici che lavorano sui materiali e ogni anno non vediamo l’ora di scrivere di alcune delle ricerche più interessanti in questo campo. Quest'anno non ha fatto eccezione ed ecco alcune delle nostre storie sui materiali preferiti del 2023.
In un’era in cui nuovi materiali vengono ideati utilizzando l’intelligenza artificiale, trovo confortante che ci troviamo anche nel mezzo di una rinascita di interesse per il legno. È sicuramente uno dei materiali più antichi utilizzati dagli esseri umani e oggi i ricercatori di tutto il mondo stanno sviluppando nuovi modi per utilizzare questa risorsa rinnovabile per creare materiali entusiasmanti. Ora, Isak Engquist of Laboratorio di elettronica organica dell’Università di Linköping e colleghi in Svezia hanno costruito un transistor con una tavola di legno. Lo hanno fatto incorporando polimeri elettricamente conduttori in tutto il materiale in modo da creare spazio per un elettrolita ionico conduttivo. La loro nuova tecnica di fabbricazione rende possibile l'uso del legno come modello per numerosi componenti elettronici, ma il team ammette che i transistor in legno non si avvicinerebbero neanche lontanamente alle prestazioni dei dispositivi convenzionali. Una possibile applicazione potrebbe essere l’integrazione dell’elettronica nelle piante viventi – ma anche se ci sono pochi usi pratici per un transistor di legno, è comunque un bel trucco.
Come il legno, l'acqua è un materiale onnipresente con proprietà straordinarie. A differenza della maggior parte delle sostanze, l’acqua solida è meno densa dell’acqua liquida, rendendo possibile la vita acquatica in vaste aree della Terra dove le temperature scendono regolarmente sotto lo 0°C. È noto che il ghiaccio è disponibile in almeno 20 diverse strutture cristalline. Ora, i ricercatori in Cina guidati da Lifen Wang e Xuedong Bai dell' Laboratorio nazionale di Pechino per la fisica della materia condensata e la Laboratorio dei materiali del lago Songshan a Dongguan sono i primi a confermare l’esistenza del ghiaccio cubico, che ha una struttura diamante-cubica delle molecole d’acqua. Si ritiene che questo ghiaccio sia responsabile dell’alone di Scheiner, un effetto ottico estremamente raro che crea un anello di luce attorno al Sole a circa 28°. Questo è diverso dal solito alone di 22° causato dalla rifrazione attraverso i cristalli di ghiaccio esagonali. Il team ha creato ghiaccio cubico su una piastra di congelamento realizzata in monostrato di grafene e ne ha monitorato la formazione utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione criogenica. La loro tecnica potrebbe rivelarsi utile per studiare come si forma il ghiaccio di ogni tipo sulle superfici.
Uno dei trionfi della fisica del XX secolo è la teoria BCS della superconduttività, sviluppata negli anni ’20 per spiegare perché alcuni materiali hanno resistenza elettrica pari a zero a temperature molto basse. L’idea è che gli elettroni in questi superconduttori si accoppiano per creare bosoni. Queste “coppie di Cooper” possono quindi condensarsi per formare una sostanza superfluida che può fluire senza resistenza. Sebbene esista una prova indiretta dell’esistenza delle coppie di Cooper, i fisici dovevano ancora misurare una correlazione negativa tra gli spin degli elettroni in una coppia, il che costituirebbe una prova diretta dell’esistenza di una coppia. Ora, i fisici in Svizzera e in Italia guidati da Arunav Bordoloi dell’Università di Basilea hanno utilizzato due punti quantici per estrarre coppie di Cooper da un minuscolo pezzo di superconduttore. Hanno quindi diviso le coppie e misurato le polarizzazioni degli spin, scoprendo che solitamente puntavano in direzioni opposte, proprio come previsto dalla teoria BCS.
Decenni fa, quando ero all’università, i frattali erano di gran moda, in parte grazie alle visualizzazioni di alta qualità create da Benoit Mandelbrot. Quindi, sono sempre interessato quando compaiono nella ricerca oggi. A febbraio, Claudio Castelnova dell’Università di Cambridge e colleghi nel Regno Unito, Germania, Stati Uniti e Argentina hanno dimostrato che un nuovo tipo di frattale si nasconde nello spin ice. Gli spin ice sono materiali con momenti magnetici frustrati perché non possono stabilizzarsi in una configurazione periodica a basse temperature. Invece, gli istanti si congelano con un grado di disordine simile a quello riscontrato nell'acqua ghiacciata. Nel 2009, i fisici hanno sostenuto che le eccitazioni in alcuni ghiacci di spin si comportano come monopoli magnetici. Ora, Castelnovo e colleghi hanno dimostrato che questi monopoli si muovono in un mondo frattale di traiettorie sempre ramificate, invece di essere liberi di muoversi in 3D. Lo studio dei monopoli negli spin ice potrebbe essere importante per una serie di applicazioni, afferma un membro del team Jonathan Nilsson Hallén che ha sede a Cambridge e Dresda. “Gli spin ice sono uno degli esempi più accessibili di magneti topologici, e i monopoli magnetici negli spin ice sono uno degli esempi meglio compresi di eccitazioni frazionate”, afferma.
La pelliccia bianca dell'orso polare fornisce mimetismo nel paesaggio artico innevato. Tuttavia, potresti pensare che un camice bianco non farebbe un buon lavoro nel riscaldare gli orsi al sole. Questo non è il caso perché la pelliccia dell’orso polare è progettata per convogliare la luce solare sulla pelle scura dell’orso, dove viene assorbita in modo efficiente. Inoltre, la pelliccia è molto efficace nel trattenere il calore irradiato dalla pelle dell’orso, creando essenzialmente un effetto serra. Ora, Trisha Andrea e colleghi dell'Università del Massachusetts Amherst hanno creato un nuovo tessuto a doppio strato ispirato agli orsi polari che assorbe l'energia del sole e dell'illuminazione interna e la intrappola per mantenere il calore. Se esposto a un'intensità luminosa di 130 W/m2 (una noiosa giornata invernale in Inghilterra) mantiene chi lo indossa caldo quanto un tessuto di cotone, ma a temperature più fredde di 10 °C e pesando il 30% in meno. “Il nostro tessuto a forma di orso polare potrebbe essere molto utile per gestire il riscaldamento degli ambienti, che consuma enormi quantità di energia, in modo più efficiente dal punto di vista energetico, riscaldando le persone all’interno utilizzando l’illuminazione ambientale invece del riscaldamento della stanza”, afferma Andrew.
Adoriamo una quasiparticella qui Mondo della fisica, quindi siamo stati lieti che nel 2023 i fisici abbiano finalmente scoperto il “demone dei Pini”. Predetto per la prima volta nel 1952 da Davide Pini ed David Bohm, questa quasiparticella è una fluttuazione quantizzata della densità elettronica in un plasma. La quasiparticella si forma quando gli elettroni in diverse bande di un metallo si muovono fuori fase tra loro in modo tale da mantenere statica la carica complessiva. In effetti, un demone è il movimento collettivo di quasiparticelle neutre – e un demone è anche privo di massa e incapace di interagire con la luce. Tutto ciò rende le quasiparticelle molto difficili da rilevare. Ora, Pietro Abbamonte dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign (UIUC) negli Stati Uniti, e colleghi hanno trovato prove dell'esistenza del demone utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di perdita di energia elettronica per identificare un'eccitazione associata al demone di Pines in singoli cristalli di stronzio rutenato.
Gli esseri umani sembrano avere un rapporto di amore-odio con il cemento. La praticità del materiale è alla base di gran parte dell’ambiente costruito, eppure deploriamo il suo aspetto a volte brutale e le grandi quantità di anidride carbonica emesse durante la sua produzione. Ora, un team negli Stati Uniti guidato dal MIT Franz-Josef Ulm, Ammiraglio Masic ed Corno Yang-Shao hanno sviluppato un tipo di calcestruzzo che può essere utilizzato per creare supercondensatori per immagazzinare energia. La produzione inizia con una miscela secca di nerofumo e cemento, alla quale vengono aggiunti acqua e superfluidificanti. Quando il materiale si solidifica, crea una rete di pori simile a un frattale che rende il materiale un conduttore con un'area superficiale molto ampia. Questo è esattamente ciò che si desidera per gli elettrodi di un condensatore, dove maggiore è l'area superficiale, maggiore è la capacità. Secondo il team, un condensatore di cemento delle dimensioni di un cubo di 3.55 m sarebbe in grado di immagazzinare circa 10 kWh di energia. Una casa costruita con fondamenta che contengono questi condensatori potrebbe quindi immagazzinare l’energia necessaria per una giornata – prodotta ad esempio dai pannelli solari – e rilasciarla quando necessario. Il materiale potrebbe anche essere utilizzato nella base di una turbina eolica, dove potrebbe immagazzinare l’energia in eccesso fino al momento del suo utilizzo. La tecnologia potrebbe anche essere utilizzata per immagazzinare energia rinnovabile in infrastrutture come strade e parcheggi, dove l’energia potrebbe essere trasferita per induzione ai veicoli.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/
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