Existem muitos físicos trabalhando com materiais e todos os anos esperamos escrever sobre algumas das pesquisas mais interessantes neste campo. Este ano não foi exceção e aqui estão algumas de nossas histórias de materiais favoritos de 2023.
Numa época em que novos materiais são concebidos com recurso à inteligência artificial, considero reconfortante saber que também estamos no meio de um ressurgimento do interesse pela madeira. É certamente um dos materiais mais antigos utilizados pelos seres humanos e hoje investigadores de todo o mundo estão a desenvolver novas formas de utilizar este recurso renovável para criar materiais interessantes. Agora, Isak Engquist of Laboratório de Eletrônica Orgânica da Universidade de Linköping e colegas na Suécia construíram um transistor a partir de uma tábua de madeira. Eles fizeram isso incorporando polímeros eletricamente condutores em todo o material de uma forma que cria espaço para um eletrólito ionicamente condutor. Sua nova técnica de fabricação torna possível usar a madeira como modelo para vários componentes eletrônicos, mas a equipe admite que os transistores de madeira não chegariam nem perto do desempenho dos dispositivos convencionais. Uma aplicação possível poderia ser a integração da eletrônica em plantas vivas – mas mesmo que haja poucos usos práticos para um transistor de madeira, ainda é um truque interessante.
Tal como a madeira, a água é um material omnipresente com propriedades extraordinárias. Ao contrário da maioria das substâncias, a água sólida é menos densa que a água líquida, tornando possível a vida aquática em vastas áreas da Terra onde as temperaturas caem regularmente abaixo de 0 °C. Sabe-se que o gelo apresenta pelo menos 20 estruturas cristalinas diferentes. Agora, investigadores na China liderados por Lifen Wang e Xuedong Bai do Laboratório Nacional de Pequim para Física da Matéria Condensada e os votos de Laboratório de Materiais do Lago Songshan em Dongguan são os primeiros a confirmar a existência de gelo cúbico, que tem uma estrutura cúbica de diamante de moléculas de água. Acredita-se que este gelo seja responsável pelo halo de Scheiner, que é um efeito óptico extremamente raro que cria um anel de luz ao redor do Sol a cerca de 28°. Isto é diferente do habitual halo de 22° causado pela refração através de cristais de gelo hexagonais. A equipe criou gelo cúbico em uma placa congelada feita de grafeno monocamada e monitorou sua formação usando microscopia eletrônica de transmissão criogênica. Sua técnica pode ser útil para estudar como gelo de todos os tipos se forma nas superfícies.
Um dos triunfos da física do século XX é a teoria da supercondutividade BCS, que foi desenvolvida na década de 20 para explicar por que alguns materiais têm resistência elétrica zero em temperaturas muito baixas. A ideia é que os elétrons nesses supercondutores se juntem para criar bósons. Esses “pares de Cooper” podem então condensar-se para formar uma substância semelhante a um superfluido que pode fluir sem resistência. Embora existam evidências indiretas da existência de pares de Cooper, os físicos ainda não tinham medido uma correlação negativa entre os spins dos eletrões num par – o que seria uma evidência direta da existência de um par. Agora, físicos na Suíça e na Itália, liderados por Arunav Bordoloi da Universidade de Basileia usaram dois pontos quânticos para extrair pares de Cooper de um pequeno pedaço de supercondutor. Eles então dividiram os pares e mediram suas polarizações de spin, descobrindo que geralmente apontavam em direções opostas – exatamente como previsto pela teoria BCS.
Décadas atrás, quando eu estava na universidade, os fractais estavam na moda – em parte por causa das visualizações de alta qualidade criadas por Benoit Mandelbrot. Então, sempre fico interessado quando eles aparecem nas pesquisas hoje. Em fevereiro, Cláudio Castelnovo da Universidade de Cambridge e colegas no Reino Unido, Alemanha, EUA e Argentina mostraram que um novo tipo de fractal está à espreita num gelo giratório. Os gelos giratórios são materiais com momentos magnéticos que são frustrados porque não conseguem se estabelecer em uma configuração periódica em baixas temperaturas. Em vez disso, os momentos ficam congelados com um grau de desordem semelhante ao encontrado na água gelada. Em 2009, os físicos argumentaram que as excitações em alguns gelos de spin se comportam como monopolos magnéticos. Agora, Castelnovo e colegas demonstraram que estes monopolos se movem num mundo fractal de trajetórias cada vez mais ramificadas, em vez de serem livres para se moverem em 3D. Estudar monopolos em spin ices pode ser importante para uma série de aplicações, diz membro da equipe Jonathan Nilsson Hallen que mora em Cambridge e Dresden. “Os spin ices são um dos exemplos mais acessíveis de ímãs topológicos, e os monopolos magnéticos em spin ices são um dos exemplos mais bem compreendidos de excitações fracionadas”, diz ele.
A pelagem branca do urso polar proporciona camuflagem na paisagem nevada do Ártico. No entanto, você pode pensar que um jaleco branco não funcionaria bem para aquecer os ursos ao sol. Este não é o caso porque a pele do urso polar é concebida para canalizar a luz solar para a pele escura do urso, onde é absorvida eficientemente. Além disso, o pêlo é muito bom a reter o calor irradiado pela pele do urso – criando essencialmente um efeito de estufa. Agora, Trisha André e colegas da Universidade de Massachusetts Amherst criaram um novo tecido de camada dupla inspirado nos ursos polares que absorve a energia do Sol e da iluminação interna e a retém para manter o calor. Quando exposto a uma intensidade de luz de 130 W/m2 (um dia monótono de meio de inverno na Inglaterra), ele mantém seu usuário tão aquecido quanto o tecido de algodão, mas em temperaturas 10°C mais frias e pesando 30% menos. “O nosso tecido de urso polar pode ser muito útil para gerir o aquecimento ambiente, que consome enormes quantidades de energia, de uma forma mais eficiente em termos energéticos, aquecendo as pessoas em ambientes fechados utilizando iluminação ambiente em vez de aquecimento ambiente”, diz Andrew.
Nós amamos uma quasipartícula aqui em Mundo da física, por isso ficamos maravilhados porque em 2023 os físicos finalmente detectaram o “demônio de Pines”. Previsto pela primeira vez em 1952 por David Pinheiros e David Bohm, esta quasipartícula é uma flutuação quantizada da densidade de elétrons em um plasma. A quasipartícula se forma quando os elétrons em diferentes bandas de um metal se movem fora de fase entre si, de modo que mantêm a carga geral estática. Com efeito, um demônio é o movimento coletivo de quasipartículas neutras – e um demônio também não tem massa e é incapaz de interagir com a luz. Tudo isso torna as quasipartículas muito difíceis de detectar. Agora, Pedro Abbamonte da Universidade de Illinois Urbana-Champaign (UIUC), nos EUA, e colegas encontraram evidências do demônio usando uma técnica chamada espectroscopia de perda de energia eletrônica para identificar uma excitação associada ao demônio de Pines em cristais únicos de rutenato de estrôncio.
Os humanos parecem ter uma relação de amor e ódio com o concreto. A praticidade do material sustenta grande parte do ambiente construído, mas condenamos a sua aparência por vezes brutal e as grandes quantidades de dióxido de carbono emitidas durante a sua produção. Agora, uma equipe nos EUA liderada pelo MIT Francisco-Josef Ulm, Admir Masic e Chifre Yang-Shao desenvolveram um tipo de concreto que pode ser usado para criar supercapacitores para armazenamento de energia. A produção começa com uma mistura seca de negro de fumo e cimento, à qual são adicionados água e superplastificantes. À medida que o material se solidifica, ele cria uma rede de poros semelhante a um fractal que torna o material um condutor com uma área superficial muito grande. Isso é exatamente o que se deseja para os eletrodos de um capacitor, onde quanto maior a área superficial, maior a capacitância. Segundo a equipe, um capacitor de concreto do tamanho de um cubo de 3.55 m seria capaz de armazenar cerca de 10 kWh de energia. Uma casa construída com fundações que contenham estes condensadores poderia, portanto, armazenar energia equivalente a um dia – produzida por painéis solares, por exemplo – e libertá-la quando necessário. O material também poderá ser utilizado na base de uma turbina eólica, onde poderá armazenar o excedente de energia até que seja necessário. A tecnologia também poderia ser utilizada para armazenar energia renovável em infraestruturas como estradas e parques de estacionamento, onde a energia poderia ser transferida por indução para veículos.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/
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