Материалы и нанотехнологии — процветающие области для физиков, которые часто получают выгоду от сотрудничества с химиками, биологами, инженерами и, конечно же, материаловедами. Поэтому о материалах и нанотехнологиях интересно писать, и этот год не стал исключением. Вот подборка некоторых из наших любимых материалов и историй исследований в области нанотехнологий, которые мы опубликовали в 2022 году.
Интеграция наноматериалов с живыми организмами является горячей темой, поэтому это исследование «унаследованной нанобионики» находится в нашем списке. Ардемис Богосян в EPFL в Швейцарии и его коллеги показали, что некоторые бактерии захватывают одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT). Более того, когда клетки бактерий делятся, ОУНТ распределяются среди дочерних клеток. Команда также обнаружила, что бактерии, содержащие SWCNT, производят значительно больше электричества при освещении светом, чем бактерии без нанотрубок. В результате этот метод можно использовать для выращивания живых солнечных элементов, которые не только производят чистую энергию, но и имеют отрицательный углеродный след, когда дело доходит до производства.
Большая часть мирового культурного наследия существует в материальной форме, и ученые играют важную роль в сохранении прошлого для будущих поколений. В Швейцарии и Германии исследователи использовали передовую неинвазивную технику визуализации, чтобы восстановить средневековые предметы, покрытые цвишзолотом. Это очень сложный материал, состоящий из ультратонкого слоя золота, подкрепленного более толстым слоем серебра. Золото Zwischgold портится на протяжении веков, но эксперты не были уверены в его первоначальной структуре и в том, как оно меняется со временем, что затрудняет восстановление. Теперь команда во главе с Цин Ву в Университет прикладных наук и искусств Западной Швейцарии и Бенджамин Уоттс в Институте Пауля Шеррера использовали передовой метод дифракции рентгеновских лучей, чтобы показать, что zwischgold имеет слой золота толщиной 30 нм по сравнению с сусальным золотом, толщина которого обычно составляет 140 нм. Они также получили представление о том, как материал начинает отделяться от поверхностей.
Термин «чудо-материал», вероятно, используется слишком часто, но здесь, в Мир физики мы думаем, что это подходящее описание перовскитов — полупроводниковых материалов со свойствами, которые делают их пригодными для изготовления солнечных элементов. Однако у перовскитовых устройств есть свои недостатки, некоторые из которых связаны с поверхностными дефектами и миграцией ионов. Эти проблемы усугубляются жарой и влажностью — теми самыми условиями, которые должны выдерживать практические солнечные элементы. В настоящее время, Стефан Де Вольф из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы в Саудовской Аравии и его коллеги создали перовскитовое устройство, состоящее из двухмерных и трехмерных слоев, которое более устойчиво к теплу и влажности. Это связано с тем, что 2D-слои действуют как барьер, предотвращая воздействие миграции воды и ионов на 3D-части устройства.
Сохранение углового момента является краеугольным камнем физики. Вот почему ученые были озадачены судьбой спина в некоторых магнитах, который исчезал при бомбардировке материалов сверхкороткими лазерными импульсами. Теперь исследователи из Констанцский университет в Германии обнаружили, что этот «потерянный» угловой момент фактически передается от электронов к колебаниям кристаллической решетки материала в течение нескольких сотен фемтосекунд. Воздействие лазерных импульсов на магнитные материалы можно использовать для хранения и извлечения данных, поэтому понимание того, как передается угловой момент, может привести к созданию более совершенных систем хранения. Эксперимент в Констанце также может привести к разработке новых способов управления вращением, что может принести пользу развитию устройств спинтроники.
Говоря о чудо-материалах, 2022 год был годом кубического арсенида бора. Было предсказано, что этот полупроводник будет обладать двумя технологически важными свойствами — высокой подвижностью дырок и высокой теплопроводностью. Оба эти предсказания были экспериментально подтверждены в этом году, и исследователи, которые сделали это, удостоены чести в нашей 10 лучших прорывов 2022 года. Но это не остановилось на этом, в конце этого года Усама Чоудри и коллеги из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Хьюстонского университета использовали сканирующую сверхбыструю электронную микроскопию, чтобы подтвердить, что «горячие» электроны в кубическом арсениде бора имеют большое время жизни. Это еще одно очень желательное свойство, которое может оказаться полезным при разработке солнечных элементов и детекторов света.
По оценкам, 20% всей электроэнергии, используемой в мире, расходуется на обычные парокомпрессионные системы охлаждения и кондиционирования воздуха. Кроме того, хладагенты, используемые в этих системах, являются мощными парниковыми газами, которые в значительной степени способствуют глобальному потеплению. В результате ученые пытаются разработать более экологичные холодильные системы. В настоящее время, Пэн Ву и его коллеги из Шанхайского технологического университета создали твердотельную систему теплового охлаждения, которая использует электрические поля, а не магнитные поля для создания деформации в материале. Это важно, потому что электрические поля гораздо проще и дешевле реализовать, чем магнитные поля. Более того, эффект возникает при комнатной температуре, что является важным требованием для практичной системы охлаждения.
В обзор этого года мы собираемся включить еще один удивительный материал — графен с магическим углом. Это создается, когда слои графена поворачиваются друг относительно друга, создавая сверхрешетку муара, которая имеет ряд свойств, зависящих от угла поворота. В настоящее время, Цзя Ли и коллеги из Университета Брауна в США использовали графен под магическим углом для создания материала, который проявляет как магнетизм, так и сверхпроводимость — свойства, которые обычно находятся на противоположных концах спектра в физике конденсированного состояния. Команда соединила графен с магическим углом с двумерным диселенидом вольфрама. Сложное взаимодействие между двумя материалами позволило исследователям превратить графен из сверхпроводника в мощный ферромагнетик. Это достижение может дать физикам новый способ изучения взаимодействия между этими двумя обычно отдельными явлениями.
