Materialer og nanoteknologi er blomstrende felt for fysikere, som ofte drar nytte av å samarbeide med kjemikere, biologer, ingeniører og selvfølgelig materialforskere. Dette gjør materialer og nanoteknologi fascinerende å skrive om, og dette året har ikke vært noe unntak. Her er et utvalg av noen av våre favorittmaterialer og forskningshistorier om nanoteknologi som vi publiserte i 2022.
Integrering av nanomaterialer med levende organismer er et hett tema, og derfor er denne forskningen på "arvet nanobionics" på listen vår. Ardemis Boghossian ved EPFL i Sveits og kolleger har vist at visse bakterier vil ta opp enkeltveggede karbon-nanorør (SWCNT). Dessuten, når bakteriecellene deler seg, blir SWCNT-ene fordelt blant dattercellene. Teamet fant også at bakterier som inneholder SWCNT produserer betydelig mer elektrisitet når de belyses med lys enn bakterier uten nanorør. Som et resultat kan teknikken brukes til å dyrke levende solceller, som i tillegg til å generere ren energi, også har et negativt karbonavtrykk når det kommer til produksjon.
Mye av verdens kulturarv eksisterer i materiell form, og forskere spiller viktige roller i å bevare fortiden for fremtidige generasjoner. I Sveits og Tyskland har forskere brukt en avansert, ikke-invasiv bildeteknikk for å hjelpe til med å gjenopprette middelalderobjekter som er dekket av zwischgull. Dette er et svært sofistikert materiale som består av et ultratynt gulllag som er støttet av et tykkere lag sølv. Zwischgold forverres gjennom århundrene, men eksperter hadde vært usikre på dens opprinnelige struktur og hvordan den endrer seg med tiden, noe som gjør restaurering vanskelig. Nå er et team ledet av Qing Wu på Universitetet for anvendte vitenskaper og kunst i Vest-Sveits og Benjamin Watts ved Paul Scherrer Institute har brukt en avansert røntgendiffraksjonsteknikk for å vise at zwischgold har et 30 nm tykt gulllag, sammenlignet med bladgull, som typisk er 140 nm. De fikk også innsikt i hvordan materialet begynner å skille seg fra overflater.
Begrepet "vidundermateriale" er sannsynligvis overbrukt, men her kl Fysikkens verden vi synes det er en treffende beskrivelse av perovskittene – halvledermaterialer med egenskaper som gjør dem egnet til å lage solceller. Imidlertid har perovskitt-enheter sine ulemper, hvorav noen er relatert til overflatedefekter og ionemigrering. Disse problemene forverres av varme og fuktighet – selve forholdene som praktiske solceller må tåle. Nå, Stefan De Wolf ved King Abdullah University of Science and Technology i Saudi-Arabia og kolleger har laget en perovskitt-enhet laget av 2D- og 3D-lag som er mer motstandsdyktig mot varme og fuktighet. Dette er fordi 2D-lagene fungerer som en barriere, og stopper både vann- og ionemigrering fra å påvirke 3D-deler av enheten.
Bevaring av vinkelmomentum er en hjørnestein i fysikk. Dette er grunnen til at forskere hadde blitt forvirret over skjebnen til spinn i noen magneter, som så ut til å forsvinne når materialene ble bombardert av ultrakorte laserpulser. Nå har forskere ved Universitetet i Konstanz i Tyskland har funnet ut at dette "tapte" vinkelmomentet faktisk overføres fra elektroner til vibrasjoner av materialets krystallgitter i løpet av noen få hundre femtosekunder. Å skyte laserpulser mot magnetiske materialer kan brukes til å lagre og hente data, så å forstå hvordan vinkelmomentum overføres kan føre til bedre lagringssystemer. Konstanz-eksperimentet kan også føre til utvikling av nye måter å manipulere spinn på – noe som kan være til fordel for utviklingen av spintroniske enheter.
Når vi snakker om vidundermaterialer, var 2022 året for kubisk borarsenid. Denne halvlederen hadde blitt spådd å ha to teknologisk betydningsfulle egenskaper - høy hullmobilitet og høy varmeledningsevne. Begge disse spådommene ble bekreftet eksperimentelt i år, og forskerne som gjorde det er hedret i vår Topp 10 gjennombrudd i 2022. Men det har ikke stoppet der, senere i år Usama Choudhry og kolleger ved University of California, Santa Barbara og University of Houston brukte ultrarask elektronmikroskopi for å bekrefte at "varme" elektroner i kubisk borarsenid har lang levetid. Dette er en annen svært ønskelig egenskap som kan vise seg nyttig i utviklingen av solceller og lysdetektorer.
Det er anslått at 20 % av all elektrisitet som brukes globalt, brukes på konvensjonell dampkompresjonskjøling og klimaanlegg. Videre er kjølemediene som brukes i disse systemene kraftige klimagasser som bidrar betydelig til global oppvarming. Som et resultat prøver forskere å utvikle mer miljøvennlige kjølesystemer. Nå, Peng Wu og kolleger ved Shanghai Tech University har laget et solid-state kalorikjølingssystem som bruker elektriske felt, i stedet for magnetfeltene for å skape belastning i et materiale. Dette er viktig fordi elektriske felt er mye enklere og mye billigere å implementere enn magnetiske felt. Dessuten oppstår effekten ved romtemperatur – som er en viktig forutsetning for et praktisk kjølesystem.
Vi skal klemme inn ett vidundermateriale til i årets round-up, og det er magisk vinkelgrafen. Dette skapes når lag med grafen roteres i forhold til hverandre, og skaper et Moiré-supergitter som har en rekke egenskaper som avhenger av vinkelen på vridningen. Nå, Jia li og kolleger ved Brown University i USA har brukt magisk vinkelgrafen for å lage et materiale som viser både magnetisme og superledning – egenskaper som vanligvis er i motsatte ender av spekteret i fysikk av kondensert materie. Teamet koblet magisk vinkelgrafen med 2D-materialet wolframdiselenid. Det komplekse samspillet mellom de to materialene gjorde det mulig for forskerne å transformere grafen fra en superleder til en kraftig ferromagnet. Denne prestasjonen kan gi fysikere en ny måte å studere samspillet mellom disse to vanligvis separate fenomenene.
