Materiały i nanotechnologia to kwitnące dziedziny dla fizyków, którzy często odnoszą korzyści ze współpracy z chemikami, biologami, inżynierami i oczywiście materiałoznawcami. To sprawia, że materiały i nanotechnologia są fascynujące do pisania, a ten rok nie był wyjątkiem. Oto wybór niektórych z naszych ulubionych materiałów i historii badań nad nanotechnologią, które opublikowaliśmy w 2022 roku.
Integracja nanomateriałów z żywymi organizmami jest gorącym tematem, dlatego te badania nad „odziedziczoną nanobioniką” znalazły się na naszej liście. Ardemis Boghossian w EPFL w Szwajcarii i współpracownicy wykazali, że niektóre bakterie będą wchłaniać jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT). Co więcej, kiedy komórki bakteryjne dzielą się, SWCNT są rozprowadzane wśród komórek potomnych. Zespół odkrył również, że bakterie zawierające SWCNT wytwarzają znacznie więcej energii elektrycznej po oświetleniu światłem niż bakterie bez nanorurek. W rezultacie technika ta mogłaby zostać wykorzystana do hodowli żywych ogniw słonecznych, które oprócz generowania czystej energii mają również ujemny ślad węglowy, jeśli chodzi o produkcję.
Znaczna część światowego dziedzictwa kulturowego istnieje w formie materialnej, a naukowcy odgrywają ważną rolę w zachowaniu przeszłości dla przyszłych pokoleń. W Szwajcarii i Niemczech naukowcy wykorzystali zaawansowaną, nieinwazyjną technikę obrazowania, aby pomóc w renowacji średniowiecznych przedmiotów pokrytych złotym złotem. Jest to wysoce wyrafinowany materiał składający się z ultracienkiej warstwy złota, która jest wsparta grubszą warstwą srebra. Zwischgold niszczeje na przestrzeni wieków, ale eksperci nie byli pewni jego pierwotnej struktury i tego, jak zmienia się w czasie, co utrudnia renowację. Teraz zespół kierowany przez Qing Wu w Uniwersytet Nauk Stosowanych i Sztuki Zachodniej Szwajcarii i Benjamina Wattsa w Instytucie Paula Scherrera wykorzystali zaawansowaną technikę dyfrakcji rentgenowskiej, aby wykazać, że zwischgold ma warstwę złota o grubości 30 nm, w porównaniu ze złotem płatkowym, które zwykle ma grubość 140 nm. Uzyskali również wgląd w to, jak materiał zaczyna oddzielać się od powierzchni.
Termin „cudowny materiał” jest prawdopodobnie nadużywany, ale tutaj Świat Fizyki uważamy, że to trafny opis perowskitów – materiałów półprzewodnikowych o właściwościach, które czynią je odpowiednimi do produkcji ogniw słonecznych. Jednak urządzenia perowskitowe mają swoje wady, z których niektóre są związane z defektami powierzchni i migracją jonów. Problemy te pogłębiają ciepło i wilgoć – warunki, które muszą wytrzymać praktyczne ogniwa słoneczne. Ale już, Stefana De Wolfa z King Abdullah University of Science and Technology w Arabii Saudyjskiej wraz ze współpracownikami stworzyli urządzenie perowskitowe wykonane z warstw 2D i 3D, które jest bardziej odporne na ciepło i wilgoć. Dzieje się tak, ponieważ warstwy 2D działają jak bariera, powstrzymując migrację wody i jonów przed wpływem na trójwymiarowe części urządzenia.
Zachowanie momentu pędu jest kamieniem węgielnym fizyki. Właśnie dlatego naukowcy zastanawiali się nad losem spinu niektórych magnesów, który wydawał się zanikać, gdy materiały są bombardowane ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Teraz naukowcy z Uniwersytet w Konstancji w Niemczech odkryli, że ten „utracony” moment pędu jest w rzeczywistości przenoszony z elektronów na drgania sieci krystalicznej materiału w ciągu kilkuset femtosekund. Wystrzeliwanie impulsów laserowych w materiały magnetyczne może służyć do przechowywania i wyszukiwania danych, więc zrozumienie, w jaki sposób przenoszony jest moment pędu, może prowadzić do lepszych systemów przechowywania. Eksperyment w Konstancji może również doprowadzić do opracowania nowych sposobów manipulowania spinem, co może przynieść korzyści w rozwoju urządzeń spintronicznych.
Mówiąc o cudownych materiałach, rok 2022 był rokiem sześciennego arsenku boru. Przewidywano, że ten półprzewodnik będzie miał dwie istotne technologicznie właściwości – wysoką ruchliwość dziur i wysoką przewodność cieplną. Obie te prognozy zostały potwierdzone eksperymentalnie w tym roku, a naukowcy, którzy tego dokonali, są uhonorowani w naszym 10 najlepszych przełomów 2022 roku. Ale na tym się nie skończyło, jeszcze w tym roku Osama Choudhry i współpracownicy z University of California, Santa Barbara i University of Houston wykorzystali skaningową ultraszybką mikroskopię elektronową, aby potwierdzić, że „gorące” elektrony w sześciennym arsenku boru mają długie życie. Jest to kolejna wysoce pożądana właściwość, która może okazać się przydatna w rozwoju ogniw słonecznych i detektorów światła.
Szacuje się, że 20% całej energii elektrycznej zużywanej na świecie jest zużywane na konwencjonalne chłodzenie i klimatyzację ze sprężaniem pary. Ponadto czynniki chłodnicze stosowane w tych systemach są silnymi gazami cieplarnianymi, które znacząco przyczyniają się do globalnego ocieplenia. W rezultacie naukowcy starają się opracować bardziej przyjazne dla środowiska systemy chłodnicze. Ale już, Peng Wu i współpracownicy z Shanghai Tech University stworzyli półprzewodnikowy kaloryczny system chłodzenia, który wykorzystuje pola elektryczne zamiast pól magnetycznych do tworzenia naprężeń w materiale. Jest to ważne, ponieważ pola elektryczne są znacznie łatwiejsze i znacznie tańsze w realizacji niż pola magnetyczne. Co więcej, efekt występuje w temperaturze pokojowej – co jest ważnym wymogiem praktycznego systemu chłodzenia.
Zamierzamy wcisnąć jeszcze jeden cudowny materiał do tegorocznego podsumowania, a mianowicie grafen o magicznym kącie. Powstaje, gdy warstwy grafenu obracają się względem siebie, tworząc supersieć mory, która ma szereg właściwości zależnych od kąta skrętu. Ale już, Jia Li i współpracownicy z Brown University w USA wykorzystali grafen o kącie magicznym do stworzenia materiału, który wykazuje zarówno magnetyzm, jak i nadprzewodnictwo – właściwości, które zwykle znajdują się na przeciwległych krańcach widma w fizyce materii skondensowanej. Zespół połączył grafen o magicznym kącie z materiałem 2D – diselenkiem wolframu. Złożona interakcja między dwoma materiałami pozwoliła naukowcom przekształcić grafen z nadprzewodnika w potężny ferromagnes. Osiągnięcie to może dać fizykom nowy sposób badania wzajemnego oddziaływania tych dwóch zwykle odrębnych zjawisk.
