재료를 연구하는 많은 물리학자들이 있으며 매년 우리는 이 분야에서 가장 흥미로운 연구에 대한 글을 쓰기를 기대하고 있습니다. 올해도 예외는 아니었으며 2023년에 우리가 가장 좋아하는 자료 이야기는 다음과 같습니다.
인공지능을 활용해 신소재가 고안되는 시대에, 우리도 나무에 대한 관심이 부활하고 있다는 사실이 위안이 된다. 이는 확실히 인간이 사용하는 가장 오래된 재료 중 하나이며 오늘날 전 세계 연구자들은 이 재생 가능한 자원을 사용하여 흥미로운 재료를 만드는 새로운 방법을 개발하고 있습니다. 지금, 이삭 엔퀴스트 of 린셰핑대학교 유기전자연구소 스웨덴의 동료들은 나무 판자로 트랜지스터를 만들었습니다. 그들은 이온 전도성 전해질을 위한 공간을 생성하는 방식으로 재료 전체에 전기 전도성 폴리머를 통합함으로써 이를 수행했습니다. 그들의 새로운 제조 기술을 통해 목재를 수많은 전자 부품의 템플릿으로 사용할 수 있지만 팀은 목재 트랜지스터가 기존 장치의 성능에 미치지 못할 것이라는 점을 인정했습니다. 한 가지 가능한 응용 분야는 전자 장치를 살아있는 식물에 통합하는 것입니다. 그러나 목재 트랜지스터의 실제 용도가 거의 없더라도 여전히 멋진 트릭입니다.
나무와 마찬가지로 물도 특별한 특성을 지닌 어디에나 존재하는 물질입니다. 대부분의 물질과 달리 고체 물은 액체 물보다 밀도가 낮기 때문에 온도가 정기적으로 0°C 아래로 떨어지는 지구의 광대한 지역에서 수생 생물이 가능합니다. 얼음은 적어도 20가지의 서로 다른 결정 구조를 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 현재 중국의 Lifen Wang과 Xuedong Bai가 이끄는 연구원들은 응집 물질 물리학 베이징 국립 연구소 그리고 송산호 재료 연구실 둥관에서는 물 분자가 다이아몬드-입방체 구조를 이루는 입방체 얼음의 존재를 처음으로 확인했습니다. 이 얼음은 약 28° 각도에서 태양 주위에 빛의 고리를 생성하는 극히 드문 광학 효과인 샤이너 후광의 원인으로 여겨집니다. 이는 육각형 얼음 결정을 통한 굴절로 인해 발생하는 일반적인 22° 후광과 다릅니다. 연구팀은 단층 그래핀으로 만든 동결판에 입방체 얼음을 생성하고 극저온 투과 전자 현미경을 사용하여 그 형성을 모니터링했습니다. 그들의 기술은 모든 종류의 얼음이 표면에 어떻게 형성되는지 연구하는 데 유용할 수 있습니다.
20세기 물리학의 승리 중 하나는 BCS 초전도 이론입니다. 이 이론은 일부 물질이 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 1950인 이유를 설명하기 위해 XNUMX년대에 개발되었습니다. 아이디어는 이러한 초전도체의 전자가 쌍을 이루어 보존을 생성한다는 것입니다. 이 "쿠퍼 쌍"은 응축되어 저항 없이 흐를 수 있는 초유체 같은 물질을 형성할 수 있습니다. 쿠퍼 쌍의 존재에 대한 간접적인 증거가 있는 반면, 물리학자들은 쌍의 존재에 대한 직접적인 증거가 될 전자 스핀 사이의 음의 상관관계를 아직 측정하지 못했습니다. 이제 스위스와 이탈리아의 물리학자들이 이끄는 아루나브 보르돌로이 바젤 대학에서는 작은 초전도체 조각에서 쿠퍼 쌍을 추출하기 위해 두 개의 양자점을 사용했습니다. 그런 다음 그들은 쌍을 분할하고 스핀 분극을 측정하여 BCS 이론에서 예측한 것처럼 일반적으로 반대 방향을 가리킨다는 것을 발견했습니다.
수십 년 전 제가 대학에 다닐 때 프랙탈은 대유행이었습니다. 부분적으로는 Benoit Mandelbrot가 만든 고품질 시각화 덕분이었습니다. 그래서 요즘 연구에 이런 내용이 나오면 항상 관심이 갑니다. 2월에는 클라우디오 카스텔노보 케임브리지 대학교와 영국, 독일, 미국, 아르헨티나의 동료들은 스핀 아이스에 새로운 유형의 프랙탈이 숨어 있음을 보여주었습니다. 스핀 아이스는 저온에서 주기적인 구성을 유지할 수 없기 때문에 좌절되는 자기 모멘트를 갖는 물질입니다. 대신, 그 순간들은 얼음에서 발견되는 것과 유사한 정도의 무질서로 얼어붙게 됩니다. 2009년에 물리학자들은 일부 스핀 아이스의 여기가 자기 단극처럼 행동한다고 주장했습니다. 이제 Castelnovo와 동료들은 이러한 단극이 3D에서 자유롭게 움직이는 것이 아니라 끊임없이 분기되는 궤적의 프랙탈 세계에서 움직이는 것을 보여주었습니다. 스핀 아이스의 단극을 연구하는 것은 다양한 응용 분야에 중요할 수 있다고 팀원은 말합니다. 조나단 닐슨 할렌 케임브리지와 드레스덴에 거주하는 사람입니다. 스핀 아이스는 위상 자석의 가장 접근하기 쉬운 사례 중 하나이며 스핀 아이스의 자기 단극은 분할된 여기의 가장 잘 이해되는 예 중 하나입니다.
북극곰의 하얀 털은 눈 덮인 북극 풍경에서 위장을 제공합니다. 그러나 흰색 코트가 햇빛 아래서 곰을 따뜻하게 하는 데는 별로 도움이 되지 않을 것이라고 생각할 수도 있습니다. 북극곰의 털은 햇빛을 곰의 어두운 피부로 전달하여 효율적으로 흡수되도록 설계되었기 때문에 그렇지 않습니다. 더욱이, 모피는 곰의 피부에서 방출되는 열을 가두는 데 매우 뛰어나서 본질적으로 온실 효과를 만들어냅니다. 지금, 트리샤 앤드류 매사추세츠 대학 애머스트(University of Massachusetts Amherst)의 동료들은 북극곰에서 영감을 받아 태양과 실내 조명으로부터 에너지를 흡수하고 이를 가두어 따뜻함을 유지하는 새로운 이중층 직물을 만들었습니다. 130W/m의 광도에 노출된 경우2 (영국의 지루한 한겨울 날) 이 제품은 착용자를 면직물처럼 따뜻하게 유지하지만 온도는 10°C 더 낮고 무게는 30% 더 가볍습니다. Andrew는 “우리의 북극곰 직물은 실내 난방 대신 주변 조명을 사용하여 실내에서 사람들을 난방함으로써 엄청난 양의 에너지를 소비하는 공간 난방을 보다 에너지 효율적인 방식으로 관리하는 데 매우 유용할 수 있습니다.”라고 말합니다.
우리는 여기 준입자를 정말 좋아해요 물리 세계, 그래서 우리는 2023년에 물리학자들이 마침내 "파인스의 악마"를 발견한 것을 기쁘게 생각합니다. 1952년 처음 예측 데이비드 파인스 및 데이비드 봄, 이 준입자는 플라즈마의 양자화된 전자 밀도 변동입니다. 준입자는 금속의 서로 다른 띠에 있는 전자가 서로 위상이 어긋나서 전체 전하를 정적으로 유지할 때 형성됩니다. 실제로 악마는 중성 준입자의 집단 운동이며 악마는 질량도 없고 빛과 상호 작용할 수도 없습니다. 이 모든 것이 준입자를 탐지하기 매우 어렵게 만듭니다. 지금, 피터 아바몬테 미국 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(UIUC)의 연구팀은 전자 에너지 손실 분광학이라는 기술을 사용하여 루테늄 스트론튬 단결정에서 파인스 악마와 관련된 여기를 식별하는 데 악마에 대한 증거를 발견했습니다.
인간은 콘크리트와 애증의 관계를 갖고 있는 것 같습니다. 재료의 실용성은 건축 환경의 많은 부분을 뒷받침하지만, 우리는 때로는 잔혹한 외관과 생산 과정에서 배출되는 엄청난 양의 이산화탄소를 비난합니다. 지금은 MIT가 이끄는 미국의 한 팀이 프란츠-요제프 울름, 어드미르 매직 및 양샤오 혼 에너지 저장용 슈퍼커패시터를 만드는 데 사용할 수 있는 콘크리트 유형을 개발했습니다. 생산은 카본블랙과 시멘트의 건식 혼합물로 시작되며, 여기에 물과 고유동화제가 첨가됩니다. 재료가 굳어짐에 따라 프랙탈 모양의 기공 네트워크가 생성되어 표면적이 매우 큰 도체가 됩니다. 이것이 바로 표면적이 클수록 커패시턴스가 커지는 커패시터의 전극에 대해 원하는 것입니다. 팀에 따르면 3.55m 큐브 크기의 콘크리트 커패시터는 약 10kWh의 에너지를 저장할 수 있습니다. 따라서 이러한 커패시터가 포함된 기초로 지어진 집은 예를 들어 태양광 패널에서 생산된 하루 분량의 에너지를 저장하고 필요할 때 방출할 수 있습니다. 이 물질은 필요할 때까지 잉여 에너지를 저장할 수 있는 풍력 터빈의 베이스에도 사용될 수 있습니다. 이 기술은 또한 도로나 주차장과 같은 인프라에 재생 에너지를 저장하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 에너지는 유도 방식으로 차량으로 전달될 수 있습니다.
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