Materialele și nanotehnologia sunt domenii înfloritoare pentru fizicieni, care adesea beneficiază de colaborarea cu chimiști, biologi, ingineri și, desigur, oameni de știință a materialelor. Acest lucru face ca materialele și nanotehnologia să fie fascinante de scris, iar anul acesta nu a făcut excepție. Iată o selecție a unora dintre materialele noastre preferate și poveștile de cercetare în nanotehnologie pe care le-am publicat în 2022.
Integrarea nanomaterialelor cu organismele vii este un subiect fierbinte, motiv pentru care această cercetare privind „nanobionica moștenită” se află pe lista noastră. Ardemis Boghossian la EPFL din Elveția și colegii au arătat că anumite bacterii vor prelua nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT-uri). În plus, atunci când celulele bacteriene se divid, SWCNT-urile sunt distribuite printre celulele fiice. Echipa a mai descoperit că bacteriile care conțin SWCNT produc o energie electrică semnificativ mai mare atunci când sunt iluminate cu lumină decât bacteriile fără nanotuburi. Drept urmare, tehnica ar putea fi folosită pentru a crește celule solare vii, care, pe lângă generarea de energie curată, au și o amprentă negativă de carbon atunci când vine vorba de producție.
O mare parte din patrimoniul cultural mondial există sub formă materială, iar oamenii de știință joacă un rol important în păstrarea trecutului pentru generațiile viitoare. În Elveția și Germania, cercetătorii au folosit o tehnică imagistică avansată, non-invazivă, pentru a ajuta la restaurarea obiectelor medievale care sunt acoperite cu zwischgold. Acesta este un material extrem de sofisticat care cuprinde un strat de aur ultrasubțire care este susținut de un strat mai gros de argint. Zwischgold se deteriorează de-a lungul secolelor, dar experții nu erau siguri de structura sa originală și de modul în care se schimbă în timp, făcând dificilă restaurarea. Acum, o echipă condusă de Qing Wu la Universitatea de Științe Aplicate și Arte din Elveția de Vest și Benjamin Watts de la Institutul Paul Scherrer au folosit o tehnică avansată de difracție cu raze X pentru a arăta că zwischgold are un strat de aur de 30 nm, în comparație cu foile de aur, care sunt de obicei de 140 nm. De asemenea, au obținut informații despre modul în care materialul începe să se separe de suprafețe.
Termenul „material minune” este probabil suprautilizat, dar aici la Lumea fizicii credem că este o descriere adecvată a perovskiților – materiale semiconductoare cu proprietăți care le fac potrivite pentru fabricarea celulelor solare. Cu toate acestea, dispozitivele perovskite au dezavantajele lor, dintre care unele sunt legate de defecte de suprafață și migrarea ionilor. Aceste probleme sunt exacerbate de căldură și umiditate – chiar condițiile pe care trebuie să le suporte celulele solare practice. Acum, Stefan De Wolf de la Universitatea de Știință și Tehnologie King Abdullah din Arabia Saudită și colegii săi au creat un dispozitiv de perovskit realizat din straturi 2D și 3D care este mai rezistent la căldură și umiditate. Acest lucru se datorează faptului că straturile 2D acționează ca o barieră, împiedicând atât migrarea apei, cât și a ionilor să afecteze părțile 3D ale dispozitivului.
Conservarea momentului unghiular este o piatră de temelie a fizicii. Acesta este motivul pentru care oamenii de știință au fost nedumeriți cu privire la soarta spin-ului unor magneți, care păreau să dispară atunci când materialele sunt bombardate de impulsuri laser ultrascurte. Acum, cercetătorii de la Universitatea din Konstanz din Germania au descoperit că acest moment unghiular „pierdut” este de fapt transferat de la electroni la vibrațiile rețelei cristaline a materialului în câteva sute de femtosecunde. Tragerea impulsurilor laser asupra materialelor magnetice poate fi folosită pentru a stoca și a prelua date, astfel încât înțelegerea modului în care este transferat momentul unghiular ar putea duce la sisteme de stocare mai bune. Experimentul de la Konstanz ar putea duce, de asemenea, la dezvoltarea de noi moduri de a manipula spin-ul - care ar putea beneficia de dezvoltarea dispozitivelor spintronice.
Apropo de materiale minune, 2022 a fost anul arseniurei de bor cubic. S-a prezis că acest semiconductor are două proprietăți semnificative din punct de vedere tehnologic - mobilitate ridicată a găurilor și conductivitate termică ridicată. Ambele predicții au fost confirmate experimental anul acesta, iar cercetătorii care au făcut asta sunt onorați în cadrul nostru Top 10 descoperiri din 2022. Dar nu s-a oprit aici, mai târziu în acest an Usama Choudhry și colegii de la Universitatea din California, Santa Barbara și de la Universitatea din Houston au folosit microscopia electronică cu scanare ultrarapidă pentru a confirma că electronii „fierbinți” din arseniura cubică de bor au durate de viață lungi. Aceasta este o altă proprietate extrem de dorită care s-ar putea dovedi utilă în dezvoltarea celulelor solare și a detectoarelor de lumină.
Se estimează că 20% din toată energia electrică utilizată la nivel global este cheltuită pentru refrigerarea convențională cu compresie a vaporilor și aer condiționat. În plus, agenții frigorifici utilizați în aceste sisteme sunt gaze puternice cu efect de seră care contribuie în mod semnificativ la încălzirea globală. Drept urmare, oamenii de știință încearcă să dezvolte sisteme de refrigerare mai ecologice. Acum, Peng Wu și colegii de la Shanghai Tech University au creat un sistem de răcire calorică în stare solidă care utilizează câmpuri electrice, mai degrabă decât câmpurile magnetice, pentru a crea tensiune într-un material. Acest lucru este important deoarece câmpurile electrice sunt mult mai ușor și mult mai ieftin de implementat decât câmpurile magnetice. În plus, efectul are loc la temperatura camerei – ceea ce este o cerință importantă pentru un sistem practic de răcire.
Vom strânge încă un material minune în rezumatul din acest an, și acesta este grafenul cu unghi magic. Acest lucru este creat atunci când straturile de grafen sunt rotite unul față de celălalt, creând o superlatice Moiré care are o serie de proprietăți care depind de unghiul de răsucire. Acum, Jia li și colegii de la Universitatea Brown din SUA au folosit grafenul cu unghi magic pentru a crea un material care prezintă atât magnetism, cât și supraconductivitate – proprietăți care se află de obicei la capetele opuse ale spectrului în fizica materiei condensate. Echipa a interfațat grafenul cu unghi magic cu materialul 2D diselenid de tungsten. Interacțiunea complexă dintre cele două materiale le-a permis cercetătorilor să transforme grafenul dintr-un supraconductor într-un feromagnet puternic. Această realizare le-ar putea oferi fizicienilor o nouă modalitate de a studia interacțiunea dintre aceste două fenomene de obicei separate.
