Materiais e nanotecnologia são campos prósperos para os físicos, que frequentemente se beneficiam da colaboração com químicos, biólogos, engenheiros e, é claro, cientistas de materiais. Isso torna fascinante escrever sobre materiais e nanotecnologia, e este ano não foi exceção. Aqui está uma seleção de alguns de nossos materiais favoritos e histórias de pesquisa em nanotecnologia que publicamos em 2022.
A integração de nanomateriais com organismos vivos é um tema quente, e é por isso que esta pesquisa sobre “nanobiônica herdada” está em nossa lista. Ardemis Boghossian na EPFL na Suíça e colegas mostraram que certas bactérias absorvem nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs). Além disso, quando as células bacterianas se dividem, os SWCNTs são distribuídos entre as células filhas. A equipe também descobriu que bactérias contendo SWCNTs produzem uma eletricidade significativamente maior quando iluminadas com luz do que bactérias sem nanotubos. Como resultado, a técnica poderia ser usada para cultivar células solares vivas, que além de gerar energia limpa, também têm uma pegada de carbono negativa quando se trata de fabricação.
Grande parte do patrimônio cultural do mundo existe na forma material e os cientistas desempenham papéis importantes na preservação do passado para as gerações futuras. Na Suíça e na Alemanha, pesquisadores usaram uma técnica de imagem avançada e não invasiva para ajudar a restaurar objetos medievais cobertos com zwischgold. Este é um material altamente sofisticado composto por uma camada ultrafina de ouro que é apoiada por uma camada mais espessa de prata. Zwischgold se deteriora ao longo dos séculos, mas os especialistas não tinham certeza de sua estrutura original e de como ela muda com o tempo, dificultando a restauração. Agora, uma equipe liderada por Qing Wu no Universidade de Ciências Aplicadas e Artes da Suíça Ocidental e Benjamim Watts no Paul Scherrer Institute usaram uma técnica avançada de difração de raios X para mostrar que o zwischgold tem uma camada de ouro de 30 nm de espessura, em comparação com a folha de ouro, que normalmente tem 140 nm. Eles também obtiveram informações sobre como o material começa a se separar das superfícies.
O termo “material maravilhoso” provavelmente é usado em demasia, mas aqui no Mundo da física achamos que é uma descrição adequada das perovskitas – materiais semicondutores com propriedades que os tornam adequados para a fabricação de células solares. No entanto, os dispositivos de perovskita têm suas desvantagens, algumas das quais relacionadas a defeitos de superfície e migração de íons. Esses problemas são exacerbados pelo calor e pela umidade – as mesmas condições que as células solares práticas devem suportar. Agora, Stefan De Wolf na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, na Arábia Saudita, e seus colegas criaram um dispositivo de perovskita feito de camadas 2D e 3D que é mais resistente ao calor e à umidade. Isso ocorre porque as camadas 2D agem como uma barreira, impedindo que a migração de água e íons afete as partes 3D do dispositivo.
A conservação do momento angular é um dos pilares da física. É por isso que os cientistas ficaram intrigados com o destino do spin em alguns ímãs, que pareciam desaparecer quando os materiais eram bombardeados por pulsos de laser ultracurtos. Agora, os pesquisadores do Universidade de Konstanz na Alemanha descobriram que esse momento angular “perdido” é de fato transferido de elétrons para vibrações da rede cristalina do material em algumas centenas de femtossegundos. O disparo de pulsos de laser em materiais magnéticos pode ser usado para armazenar e recuperar dados, portanto, entender como o momento angular é transferido pode levar a melhores sistemas de armazenamento. O experimento Konstanz também pode levar ao desenvolvimento de novas maneiras de manipular o spin – o que pode beneficiar o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos.
Falando em materiais maravilhosos, 2022 foi o ano do arsenieto de boro cúbico. Este semicondutor foi previsto para ter duas propriedades tecnologicamente significativas – alta mobilidade de buracos e alta condutividade térmica. Ambas as previsões foram confirmadas experimentalmente este ano e os pesquisadores que fizeram isso são homenageados em nosso Os 10 principais avanços de 2022. Mas não parou por aí, ainda este ano Osama Choudhry e colegas da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, e da Universidade de Houston usaram microscopia eletrônica de varredura ultrarrápida para confirmar que os elétrons “quentes” no arsenieto de boro cúbico têm vida útil longa. Esta é outra propriedade altamente desejável que pode ser útil no desenvolvimento de células solares e detectores de luz.
Estima-se que 20% de toda a eletricidade usada globalmente seja gasta em refrigeração convencional por compressão de vapor e ar condicionado. Além disso, os refrigerantes usados nesses sistemas são poderosos gases de efeito estufa que contribuem significativamente para o aquecimento global. Como resultado, os cientistas estão tentando desenvolver sistemas de refrigeração mais ecológicos. Agora, Peng Wu e colegas da Shanghai Tech University criaram um sistema de resfriamento calórico de estado sólido que usa campos elétricos, em vez de campos magnéticos, para criar tensão em um material. Isso é importante porque os campos elétricos são muito mais fáceis e baratos de implementar do que os campos magnéticos. Além disso, o efeito ocorre à temperatura ambiente – o que é um requisito importante para um sistema de resfriamento prático.
Vamos espremer mais um material maravilhoso no resumo deste ano, que é o grafeno de ângulo mágico. Isso é criado quando as camadas de grafeno são giradas umas em relação às outras, criando uma superrede Moiré que possui uma gama de propriedades que dependem do ângulo da torção. Agora, Jia li e colegas da Brown University, nos Estados Unidos, usaram grafeno de ângulo mágico para criar um material que exibe magnetismo e supercondutividade – propriedades que geralmente estão em extremos opostos do espectro na física da matéria condensada. A equipe interagiu com o grafeno de ângulo mágico com o disseleneto de tungstênio material 2D. A complexa interação entre os dois materiais permitiu aos pesquisadores transformar o grafeno de um supercondutor em um poderoso ferroímã. Essa conquista pode dar aos físicos uma nova maneira de estudar a interação entre esses dois fenômenos geralmente separados.
