I materiali e la nanotecnologia sono campi fiorenti per i fisici, che spesso traggono vantaggio dalla collaborazione con chimici, biologi, ingegneri e, naturalmente, scienziati dei materiali. Questo rende i materiali e la nanotecnologia affascinanti di cui scrivere, e quest'anno non ha fatto eccezione. Ecco una selezione di alcuni dei nostri materiali preferiti e storie di ricerca sulle nanotecnologie che abbiamo pubblicato nel 2022.
L'integrazione dei nanomateriali con gli organismi viventi è un tema caldo, motivo per cui questa ricerca sulla "nanobionica ereditata" è nella nostra lista. Ardemis Boghossian all'EPFL in Svizzera e colleghi hanno dimostrato che alcuni batteri raccolgono nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT). Inoltre, quando le cellule batteriche si dividono, gli SWCNT si distribuiscono tra le cellule figlie. Il team ha anche scoperto che i batteri contenenti SWCNT producono molta più elettricità quando sono illuminati dalla luce rispetto ai batteri senza nanotubi. Di conseguenza, la tecnica potrebbe essere utilizzata per far crescere celle solari viventi, che oltre a generare energia pulita, hanno anche un'impronta di carbonio negativa quando si tratta di produzione.
Gran parte del patrimonio culturale mondiale esiste in forma materiale e gli scienziati svolgono un ruolo importante nel preservare il passato per le generazioni future. In Svizzera e Germania i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di imaging avanzata e non invasiva per aiutare a restaurare oggetti medievali ricoperti di zwischgold. Questo è un materiale altamente sofisticato che comprende uno strato d'oro ultrasottile che è sostenuto da uno strato più spesso di argento. Zwischgold si deteriora nel corso dei secoli, ma gli esperti non erano sicuri della sua struttura originale e di come cambia nel tempo, rendendo difficile il restauro. Ora, una squadra guidata da Qing Wu al Università di scienze applicate e arti della Svizzera occidentale ed Benjamin Watt presso il Paul Scherrer Institute hanno utilizzato una tecnica avanzata di diffrazione dei raggi X per dimostrare che zwischgold ha uno strato d'oro spesso 30 nm, rispetto alla foglia d'oro, che è tipicamente di 140 nm. Hanno anche acquisito informazioni su come il materiale inizia a separarsi dalle superfici.
Il termine "materiale meraviglioso" è probabilmente abusato, ma qui a Mondo della fisica pensiamo che sia una descrizione appropriata delle perovskiti, materiali semiconduttori con proprietà che li rendono adatti alla realizzazione di celle solari. Tuttavia, i dispositivi perovskite hanno i loro lati negativi, alcuni dei quali sono legati ai difetti superficiali e alla migrazione degli ioni. Questi problemi sono esacerbati dal calore e dall'umidità, le stesse condizioni che le celle solari pratiche devono sopportare. Adesso, Stefano De Wolf presso la King Abdullah University of Science and Technology in Arabia Saudita e colleghi hanno creato un dispositivo di perovskite composto da strati 2D e 3D che è più resistente al calore e all'umidità. Questo perché gli strati 2D fungono da barriera, impedendo alla migrazione di acqua e ioni di influenzare le parti 3D del dispositivo.
La conservazione del momento angolare è un caposaldo della fisica. Questo è il motivo per cui gli scienziati erano rimasti perplessi sul destino dello spin in alcuni magneti, che sembrava svanire quando i materiali venivano bombardati da impulsi laser ultracorti. Ora, i ricercatori del Università di Costanza in Germania hanno scoperto che questo momento angolare "perso" viene di fatto trasferito dagli elettroni alle vibrazioni del reticolo cristallino del materiale entro poche centinaia di femtosecondi. L'emissione di impulsi laser su materiali magnetici può essere utilizzata per archiviare e recuperare dati, quindi capire come viene trasferito il momento angolare potrebbe portare a sistemi di archiviazione migliori. L'esperimento di Costanza potrebbe anche portare allo sviluppo di nuovi modi per manipolare lo spin, il che potrebbe favorire lo sviluppo di dispositivi spintronici.
Parlando di materiali meravigliosi, il 2022 è stato l'anno dell'arseniuro di boro cubico. Si prevedeva che questo semiconduttore avesse due proprietà tecnologicamente significative: un'elevata mobilità dei fori e un'elevata conduttività termica. Entrambe queste previsioni sono state confermate sperimentalmente quest'anno e i ricercatori che lo hanno fatto sono onorati nel nostro Le 10 migliori scoperte del 2022. Ma non si è fermato qui, entro la fine dell'anno Usama Choudry e colleghi dell'Università della California, Santa Barbara e dell'Università di Houston hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione ultraveloce per confermare che gli elettroni "caldi" nell'arseniuro di boro cubico hanno una lunga durata. Questa è un'altra proprietà altamente desiderabile che potrebbe rivelarsi utile nello sviluppo di celle solari e rivelatori di luce.
Si stima che il 20% di tutta l'elettricità utilizzata a livello globale venga consumata per la refrigerazione e l'aria condizionata convenzionali a compressione di vapore. Inoltre, i refrigeranti utilizzati in questi sistemi sono potenti gas serra che contribuiscono in modo significativo al riscaldamento globale. Di conseguenza, gli scienziati stanno cercando di sviluppare sistemi di refrigerazione più rispettosi dell'ambiente. Adesso, Peng Wu e colleghi della Shanghai Tech University hanno creato un sistema di raffreddamento calorico a stato solido che utilizza campi elettrici, piuttosto che campi magnetici per creare tensione in un materiale. Questo è importante perché i campi elettrici sono molto più facili ed economici da implementare rispetto ai campi magnetici. Inoltre, l'effetto si verifica a temperatura ambiente, che è un requisito importante per un pratico sistema di raffreddamento.
Inseriremo un altro materiale meraviglioso nel riepilogo di quest'anno, e questo è il grafene ad angolo magico. Questo viene creato quando gli strati di grafene vengono ruotati l'uno rispetto all'altro, creando un super reticolo Moiré che ha una gamma di proprietà che dipendono dall'angolo di torsione. Adesso, Jia li e colleghi della Brown University negli Stati Uniti hanno utilizzato il grafene ad angolo magico per creare un materiale che mostra sia magnetismo che superconduttività, proprietà che di solito si trovano agli estremi opposti dello spettro nella fisica della materia condensata. Il team ha interfacciato il grafene ad angolo magico con il diseleniuro di tungsteno materiale 2D. La complessa interazione tra i due materiali ha permesso ai ricercatori di trasformare il grafene da superconduttore in un potente ferromagnete. Questo risultato potrebbe dare ai fisici un nuovo modo di studiare l'interazione tra questi due fenomeni solitamente separati.
