חומרים וננוטכנולוגיה הם תחומים משגשגים עבור פיזיקאים, שלעתים קרובות נהנים משיתוף פעולה עם כימאים, ביולוגים, מהנדסים וכמובן, מדעני חומרים. זה הופך את החומרים והננוטכנולוגיה למרתקים לכתוב עליהם, והשנה לא הייתה יוצאת דופן. הנה מבחר של כמה מהחומרים האהובים עלינו וסיפורי מחקר ננוטכנולוגיה שפרסמנו ב-2022.
השילוב של ננו-חומרים עם אורגניזמים חיים הוא נושא חם, וזו הסיבה שהמחקר הזה על "ננו-ביוניקה בירושה" נמצא ברשימה שלנו. ארדמיס בוגוסיאן ב-EPFL בשוויץ ועמיתיו הראו שחיידקים מסוימים יתפסו ננו-צינוריות פחמן חד-דופן (SWCNT). מה שכן, כאשר תאי החיידק מתפצלים, ה-SWCNTs מתפזרים בין תאי הבת. הצוות גם מצא שחיידקים המכילים SWCNTs מייצרים הרבה יותר חשמל כאשר הם מוארים באור מאשר חיידקים ללא ננו-צינורות. כתוצאה מכך, הטכניקה יכולה לשמש לגידול תאים סולאריים חיים, אשר לצד יצירת אנרגיה נקייה, יש גם טביעת רגל פחמנית שלילית בכל הנוגע לייצור.
חלק גדול מהמורשת התרבותית של העולם קיים בצורה חומרית ומדענים ממלאים תפקידים חשובים בשימור העבר עבור הדורות הבאים. בשוויץ ובגרמניה חוקרים השתמשו בטכניקת הדמיה מתקדמת ולא פולשנית כדי לעזור לשחזר חפצים מימי הביניים המכוסים ב-zwischgold. זהו חומר מתוחכם ביותר הכולל שכבת זהב דקה במיוחד המגובה בשכבה עבה יותר של כסף. זווישגולד מתדרדר במשך מאות שנים, אך מומחים לא היו בטוחים במבנה המקורי שלו ובאופן שבו הוא משתנה עם הזמן, מה שמקשה על השיקום. כעת, צוות בראשות צ'ינג וו ב- האוניברסיטה למדעים שימושיים ואמנויות של מערב שוויץ ו בנג'מין ווטס במכון פול שרר השתמשו בטכניקת עקיפה מתקדמת של קרני רנטגן כדי להראות של-zwischgold יש שכבת זהב בעובי 30 ננומטר, בהשוואה לעלה זהב, שהוא בדרך כלל 140 ננומטר. הם גם השיגו תובנות כיצד החומר מתחיל להיפרד ממשטחים.
ככל הנראה נעשה שימוש יתר במונח "חומר פלא", אבל כאן ב עולם הפיזיקה אנו חושבים שזהו תיאור הולם של הפרובסקיטים - חומרים מוליכים למחצה בעלי תכונות ההופכות אותם למתאימים לייצור תאים סולאריים. עם זאת, למכשירי פרוסקיט יש חסרונות, חלקם קשורים לפגמים על פני השטח ולנדידת יונים. בעיות אלה מחמירות על ידי חום ולחות - אותם תנאים שתאים סולאריים מעשיים צריכים לעמוד בהם. עַכשָׁיו, סטפן דה וולף באוניברסיטת המלך עבדאללה למדע וטכנולוגיה בערב הסעודית ועמיתיו יצרו מכשיר פרוסקיט העשוי משכבות דו-ממדיות ותלת-ממדיות עמיד יותר לחום ולחות. הסיבה לכך היא שהשכבות הדו-ממדיות פועלות כמחסום, ומונעות גם נדידת מים וגם יונים להשפיע על חלקי התלת-ממד של המכשיר.
שימור התנע הזוויתי הוא אבן יסוד בפיזיקה. זו הסיבה שמדענים היו מבולבלים בנוגע לגורל הספין במגנטים מסוימים, שנראה היה שנעלם כאשר החומרים מופגזים על ידי פולסי לייזר קצרים במיוחד. כעת, חוקרים ב- אוניברסיטת קונסטנץ בגרמניה גילו שהתנע הזוויתי ה"אבוד" הזה מועבר למעשה מאלקטרונים לתנודות של סריג הגביש של החומר תוך כמה מאות פמט-שניות. ירי פולסי לייזר על חומרים מגנטיים יכול לשמש לאחסון ושליפה של נתונים, כך שהבנה כיצד מועבר מומנטום זוויתי עשויה להוביל למערכות אחסון טובות יותר. ניסוי קונסטנץ יכול גם להוביל לפיתוח דרכים חדשות לתמרן ספין - מה שיכול להועיל לפיתוח מכשירי ספינטרוניק.
אם כבר מדברים על חומרי פלא, 2022 הייתה השנה של ארסניד בורון מעוקב. למוליך למחצה זה נחזה להיות בעל שתי תכונות משמעותיות מבחינה טכנולוגית - ניידות חורים גבוהה ומוליכות תרמית גבוהה. שתי התחזיות הללו אושרו בניסוי השנה והחוקרים שעשו זאת זוכים לכבוד אצלנו 10 פריצות הדרך המובילות של 2022. אבל זה לא נעצר שם, מאוחר יותר השנה אוסאמה צ'ודהרי ועמיתים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה ואוניברסיטת יוסטון השתמשו במיקרוסקופיה אלקטרונית אולטרה-מהירה על מנת לאשר כי לאלקטרונים "חמים" בארסניד בורון יש אורך חיים ארוך. זהו עוד תכונה רצויה ביותר שיכולה להיות שימושית בפיתוח תאים סולאריים וגלאי אור.
ההערכה היא כי 20% מכלל החשמל המשמש בעולם מושקע על קירור ומיזוג אוויר קונבנציונלי בדחיסת אדים. יתר על כן, חומרי הקירור המשמשים במערכות אלו הם גזי חממה רבי עוצמה התורמים באופן משמעותי להתחממות כדור הארץ. כתוצאה מכך, מדענים מנסים לפתח מערכות קירור ידידותיות יותר לסביבה. עַכשָׁיו, פנג וו ועמיתים מאוניברסיטת שנחאי טק יצרו מערכת קירור קלורית במצב מוצק המשתמשת בשדות חשמליים, במקום בשדות המגנטיים כדי ליצור מתח בחומר. זה חשוב מכיוון ששדות חשמליים הרבה יותר קלים וזולים ליישום מאשר שדות מגנטיים. מה שכן, ההשפעה מתרחשת בטמפרטורת החדר - שהיא דרישה חשובה למערכת קירור מעשית.
אנחנו הולכים לסחוט עוד חומר פלא אחד לסיכום השנה, והוא גרפן עם זווית קסם. זה נוצר כאשר שכבות של גרפן מסובבות זו ביחס לזו, ויוצרות סריג-על של Moiré בעל מגוון מאפיינים התלויים בזווית הפיתול. עַכשָׁיו, ג'יה לי ועמיתים מאוניברסיטת בראון בארה"ב השתמשו בגרפן עם זווית קסם כדי ליצור חומר המציג גם מגנטיות וגם מוליכות-על - תכונות שנמצאות בדרך כלל בקצוות מנוגדים של הספקטרום בפיזיקה של החומר המעובה. הצוות מימש גרפן עם זווית קסם עם החומר הדו-ממדי טונגסטן דיסלניד. האינטראקציה המורכבת בין שני החומרים אפשרה לחוקרים להפוך את הגרפן ממוליך-על לפרומגנט רב עוצמה. הישג זה יכול לתת לפיזיקאים דרך חדשה לחקור את יחסי הגומלין בין שתי התופעות הנפרדות בדרך כלל.
