材料とナノテクノロジーは、化学者、生物学者、エンジニア、そしてもちろん材料科学者との共同研究から恩恵を受けることが多い物理学者にとって盛んな分野です。 これにより、材料とナノテクノロジーについて書くのが魅力的になり、今年も例外ではありませんでした。 2022 年に公開された、私たちのお気に入りの材料とナノテクノロジーの研究ストーリーの一部を以下に示します。
生体へのナノ材料の統合はホットなトピックであり、そのため、この「継承されたナノバイオニクス」に関する研究が私たちのリストに載っています。 アルデミス・ボゴシアン スイスの EPFL とその同僚は、特定のバクテリアが単層カーボン ナノチューブ (SWCNT) を取り込むことを示しました。 さらに、細菌細胞が分裂すると、SWCNT は娘細胞に分配されます。 チームはまた、SWCNT を含むバクテリアは、光を照射すると、ナノチューブを含まないバクテリアよりもはるかに多くの電気を生成することも発見しました。 その結果、この技術を使用して生きた太陽電池を成長させることができます。これは、クリーン エネルギーを生成するだけでなく、製造に関しては二酸化炭素排出量もマイナスです。
世界の文化遺産の多くは物質的な形で存在し、科学者は未来の世代のために過去を保存する上で重要な役割を果たしています。 スイスとドイツでは、研究者が高度な非侵襲的画像技術を使用して、ツヴィッシュゴールドで覆われた中世のオブジェクトを復元しています。 これは、より厚い銀の層で裏打ちされた極薄の金の層からなる非常に洗練された素材です。 ツヴィッシュゴールドは何世紀にもわたって劣化していますが、専門家は元の構造と時間の経過とともにどのように変化するかを確信していなかったため、修復は困難でした。 現在、チン・ウー率いるチームは 西スイス応用科学芸術大学 & ベンジャミン・ワッツ ポール・シェラー研究所の研究チームは、高度な X 線回折技術を使用して、通常 30 nm の金箔と比較して、zwischgold に 140 nm の厚さの金層があることを示しました。 また、材料が表面からどのように分離し始めるかについての洞察も得ました。
「ワンダー マテリアル」という用語はおそらく使い古されていますが、ここでは 物理学の世界 これは、太陽電池の製造に適した特性を持つ半導体材料であるペロブスカイトの適切な説明であると考えています。 ただし、ペロブスカイト デバイスには欠点があり、その一部は表面欠陥やイオン移動に関連しています。 これらの問題は、熱と湿度によって悪化します。これは、実用的な太陽電池が耐えなければならないまさにその条件です。 今、 ステファン・デ・ヴォルフ サウジアラビアのキング アブドラ科学技術大学の研究チームは、2D 層と 3D 層から作られたペロブスカイト デバイスを作成しました。 これは、2D 層がバリアとして機能し、水とイオンの移動がデバイスの 3D 部分に影響を与えるのを防ぐためです。
角運動量の保存は物理学の基礎です。 これが、科学者が一部の磁石のスピンの運命について当惑していた理由であり、材料が超短レーザーパルスで衝撃を受けると消滅するように見えた. 現在、 ドイツのコンスタンツ大学 この「失われた」角運動量は、実際には数百フェムト秒以内に電子から材料の結晶格子の振動に伝達されることを発見しました。 磁性材料にレーザー パルスを発射すると、データの保存と取得に使用できるため、角運動量がどのように伝達されるかを理解することは、より優れたストレージ システムにつながる可能性があります。 コンスタンツの実験は、スピンを操作する新しい方法の開発にもつながる可能性があり、スピントロニクス デバイスの開発に役立つ可能性があります。
驚異の素材といえば、2022年は立方晶砒化ホウ素の年でした。 この半導体は、高い正孔移動度と高い熱伝導率という XNUMX つの技術的に重要な特性を持つと予測されていました。 これらの予測は両方とも、今年実験的に確認されました。それを行った研究者は、 10 年のブレークスルー トップ 2022. しかし、今年後半にはそれだけにとどまりませんでした ウサマ・チョウドリー カリフォルニア大学サンタバーバラ校とヒューストン大学の同僚は、走査型超高速電子顕微鏡を使用して、立方晶砒化ホウ素の「ホット」電子が長い寿命を持っていることを確認しました。 これは、太陽電池や光検出器の開発に役立つ可能性がある、非常に望ましいもう XNUMX つの特性です。
世界中で使用されている全電力の 20% が、従来の蒸気圧縮冷凍と空調に費やされていると推定されています。 さらに、これらのシステムで使用される冷媒は、地球温暖化に大きく寄与する強力な温室効果ガスです。 その結果、科学者はより環境に優しい冷凍システムを開発しようとしています。 今、 ペン・ウー と上海工科大学の同僚は、磁場ではなく電場を使用して材料にひずみを発生させる固体熱冷却システムを作成しました。 電場は磁場よりも実装がはるかに簡単で安価であるため、これは重要です。 さらに、効果は室温で発生します。これは、実用的な冷却システムにとって重要な要件です。
今年のまとめに、もう XNUMX つの驚異的な素材を絞り込みます。それは、マジック アングル グラフェンです。 これは、グラフェンの層が互いに相対的に回転するときに作成され、ねじれの角度に依存するさまざまな特性を持つモアレ超格子を作成します。 今、 ジア・リー と米国のブラウン大学の同僚は、魔法角グラフェンを使用して、磁性と超伝導の両方を示す材料を作成しました。これらの特性は、通常、凝縮物質物理学のスペクトルの両端にあります。 チームは、マジック アングル グラフェンを 2D 材料の二セレン化タングステンと結合させました。 XNUMX つの材料間の複雑な相互作用により、研究者はグラフェンを超伝導体から強力な強磁性体に変換することができました。 この成果は、物理学者に、これら XNUMX つの通常は別個の現象間の相互作用を研究するための新しい方法を提供する可能性があります。
