Materialen en nanotechnologie zijn bloeiende gebieden voor natuurkundigen, die vaak baat hebben bij samenwerking met chemici, biologen, ingenieurs en natuurlijk materiaalwetenschappers. Dat maakt materialen en nanotechnologie boeiend om over te schrijven, en dit jaar was daarop geen uitzondering. Hier is een selectie van enkele van onze favoriete materialen en onderzoeksverhalen over nanotechnologie die we in 2022 hebben gepubliceerd.
De integratie van nanomaterialen met levende organismen is een hot topic, daarom staat dit onderzoek naar 'erfelijke nanobionics' op onze lijst. Ardemis Boghossian bij EPFL in Zwitserland en collega's hebben aangetoond dat bepaalde bacteriën enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's) opnemen. Wat meer is, wanneer de bacteriecellen splitsen, worden de SWCNT's verdeeld over de dochtercellen. Het team ontdekte ook dat bacteriën die SWCNT's bevatten aanzienlijk meer elektriciteit produceren wanneer ze met licht worden verlicht dan bacteriën zonder nanobuisjes. Als gevolg hiervan zou de techniek kunnen worden gebruikt om levende zonnecellen te laten groeien, die niet alleen schone energie opwekken, maar ook een negatieve ecologische voetafdruk hebben als het gaat om productie.
Veel van het culturele erfgoed van de wereld bestaat in materiële vorm en wetenschappers spelen een belangrijke rol bij het bewaren van het verleden voor toekomstige generaties. In Zwitserland en Duitsland hebben onderzoekers een geavanceerde, niet-invasieve beeldvormingstechniek gebruikt om middeleeuwse objecten die bedekt zijn met zwischgold te herstellen. Dit is een zeer geavanceerd materiaal dat bestaat uit een ultradunne goudlaag die wordt ondersteund door een dikkere laag zilver. Zwischgold verslechtert door de eeuwen heen, maar experts waren niet zeker van de oorspronkelijke structuur en hoe deze in de loop van de tijd verandert, waardoor herstel moeilijk was. Nu, een team onder leiding van Qing Wu bij de Hogeschool voor Toegepaste Wetenschappen en Kunsten van West-Zwitserland en Benjamin Watts aan het Paul Scherrer Institute hebben een geavanceerde röntgendiffractietechniek gebruikt om aan te tonen dat zwischgold een 30 nm dikke goudlaag heeft, vergeleken met bladgoud, dat typisch 140 nm is. Ze kregen ook inzicht in hoe het materiaal zich begint los te maken van oppervlakken.
De term "wondermateriaal" is waarschijnlijk te veel gebruikt, maar hier bij Natuurkunde wereld we denken dat het een goede omschrijving is van de perovskieten – halfgeleidermaterialen met eigenschappen die ze geschikt maken om zonnecellen van te maken. Perovskiet-apparaten hebben echter hun nadelen, waarvan sommige verband houden met oppervlaktedefecten en ionenmigratie. Deze problemen worden verergerd door hitte en vochtigheid – precies de omstandigheden waaraan zonnecellen in de praktijk moeten voldoen. Nutsvoorzieningen, Stefan de Wolf aan de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië en collega's hebben een perovskietapparaat gemaakt van 2D- en 3D-lagen dat beter bestand is tegen hitte en vochtigheid. Dit komt omdat de 2D-lagen als een barrière fungeren, waardoor zowel water- als ionenmigratie de 3D-onderdelen van het apparaat niet kunnen beïnvloeden.
Het behoud van impulsmoment is een hoeksteen van de natuurkunde. Daarom waren wetenschappers verbaasd over het lot van spin in sommige magneten, die leek te verdwijnen wanneer de materialen worden gebombardeerd met ultrakorte laserpulsen. Nu, onderzoekers van de Universiteit van Konstanz in Duitsland hebben ontdekt dat dit "verloren" impulsmoment in feite binnen een paar honderd femtoseconden wordt overgedragen van elektronen naar trillingen van het kristalrooster van het materiaal. Het afvuren van laserpulsen op magnetische materialen kan worden gebruikt om gegevens op te slaan en op te halen, dus inzicht in hoe impulsmoment wordt overgedragen, kan leiden tot betere opslagsystemen. Het Konstanz-experiment zou ook kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe manieren om spin te manipuleren - wat de ontwikkeling van spintronische apparaten ten goede zou kunnen komen.
Over wondermaterialen gesproken, 2022 was het jaar van kubisch boorarsenide. Er werd voorspeld dat deze halfgeleider twee technologisch belangrijke eigenschappen zou hebben: hoge gatenmobiliteit en hoge thermische geleidbaarheid. Beide voorspellingen werden dit jaar experimenteel bevestigd en de onderzoekers die dat deden worden geëerd in onze Top 10 doorbraken van 2022. Maar daar bleef het niet bij, later dit jaar Usama Choudhry en collega's van de Universiteit van Californië, Santa Barbara en de Universiteit van Houston gebruikten ultrasnelle elektronenmicroscopie om te bevestigen dat "hete" elektronen in kubisch boorarsenide een lange levensduur hebben. Dit is een andere zeer wenselijke eigenschap die nuttig zou kunnen zijn bij de ontwikkeling van zonnecellen en lichtdetectoren.
Geschat wordt dat 20% van alle elektriciteit die wereldwijd wordt gebruikt, wordt besteed aan conventionele dampcompressiekoeling en airconditioning. Bovendien zijn de koelmiddelen die in deze systemen worden gebruikt krachtige broeikasgassen die aanzienlijk bijdragen aan de opwarming van de aarde. Daarom proberen wetenschappers milieuvriendelijkere koelsystemen te ontwikkelen. Nutsvoorzieningen, Peng Wu en collega's van de Shanghai Tech University hebben een solid-state calorisch koelsysteem gemaakt dat elektrische velden gebruikt in plaats van magnetische velden om spanning in een materiaal te creëren. Dit is belangrijk omdat elektrische velden veel gemakkelijker en goedkoper te implementeren zijn dan magnetische velden. Bovendien treedt het effect op bij kamertemperatuur – wat een belangrijke vereiste is voor een praktisch koelsysteem.
We gaan nog een wonderbaarlijk materiaal in de verzameling van dit jaar persen, en dat is grafeen met een magische hoek. Dit ontstaat wanneer lagen grafeen ten opzichte van elkaar worden geroteerd, waardoor een Moiré-superrooster ontstaat met een reeks eigenschappen die afhangen van de draaihoek. Nutsvoorzieningen, Jia li en collega's van Brown University in de VS hebben grafeen met een magische hoek gebruikt om een materiaal te maken dat zowel magnetisme als supergeleiding vertoont - eigenschappen die zich meestal aan tegenovergestelde uiteinden van het spectrum bevinden in de fysica van gecondenseerde materie. Het team koppelde grafeen met een magische hoek aan het 2D-materiaal wolfraamdiselenide. Door de complexe interactie tussen de twee materialen konden de onderzoekers grafeen transformeren van een supergeleider in een krachtige ferromagneet. Deze prestatie zou natuurkundigen een nieuwe manier kunnen bieden om de wisselwerking tussen deze twee meestal afzonderlijke fenomenen te bestuderen.
