Materiali in nanotehnologija sta uspešni področji za fizike, ki jim pogosto koristi sodelovanje s kemiki, biologi, inženirji in seveda znanstveniki za materiale. Zaradi tega je pisanje o materialih in nanotehnologiji fascinantno in letošnje leto ni bilo izjema. Tukaj je izbor nekaterih naših najljubših materialov in zgodb o raziskavah nanotehnologije, ki smo jih objavili leta 2022.
Integracija nanomaterialov z živimi organizmi je vroča tema, zato je ta raziskava o »podedovani nanobioniki« na našem seznamu. Ardemis Boghossian na EPFL v Švici in sodelavci so pokazali, da bodo nekatere bakterije prevzele enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT). Še več, ko se bakterijske celice razcepijo, se SWCNT porazdelijo med hčerinske celice. Skupina je tudi ugotovila, da bakterije, ki vsebujejo SWCNT, proizvajajo bistveno več električne energije, ko so osvetljene s svetlobo, kot bakterije brez nanocevk. Posledično bi lahko tehniko uporabili za gojenje živih sončnih celic, ki poleg ustvarjanja čiste energije imajo tudi negativen ogljični odtis, ko gre za proizvodnjo.
Velik del svetovne kulturne dediščine obstaja v materialni obliki in znanstveniki igrajo pomembno vlogo pri ohranjanju preteklosti za prihodnje generacije. V Švici in Nemčiji so raziskovalci uporabili napredno, neinvazivno slikovno tehniko za pomoč pri restavriranju srednjeveških predmetov, prekritih s cwischgoldom. To je zelo sofisticiran material, ki vsebuje ultratanko zlato plast, ki je podprta z debelejšo plastjo srebra. Zwischgold se skozi stoletja propada, vendar strokovnjaki niso bili prepričani o njegovi prvotni strukturi in o tem, kako se spreminja s časom, kar otežuje obnovo. Zdaj je ekipa, ki jo vodi Qing Wu pri Univerza za uporabne znanosti in umetnost Zahodne Švice in Benjamin Watts na Inštitutu Paul Scherrer so uporabili napredno tehniko rentgenske difrakcije, da bi pokazali, da ima zwischgold 30 nm debelo plast zlata v primerjavi z zlatimi lističi, ki so običajno 140 nm. Dobili so tudi vpogled v to, kako se material začne ločevati od površin.
Izraz "čudežni material" se verjetno preveč uporablja, vendar tukaj na Svet fizike menimo, da je to primeren opis perovskitov – polprevodniških materialov z lastnostmi, zaradi katerih so primerni za izdelavo sončnih celic. Vendar pa imajo perovskitne naprave svoje slabosti, od katerih so nekatere povezane s površinskimi napakami in migracijo ionov. Te težave še poslabšata vročina in vlaga – pogoji, ki jih morajo prenašati praktične sončne celice. zdaj, Stefan De Wolf na Univerzi za znanost in tehnologijo King Abdullah v Savdski Arabiji in sodelavci so ustvarili perovskitno napravo iz 2D in 3D plasti, ki je bolj odporna na vročino in vlago. To je zato, ker 2D plasti delujejo kot ovira, ki preprečuje, da bi voda in migracija ionov vplivala na 3D dele naprave.
Ohranjanje kotne količine je temelj fizike. Zato so bili znanstveniki zmedeni nad usodo vrtenja v nekaterih magnetih, ki je izgledalo kot da izgine, ko materiale bombardirajo ultrakratki laserski impulzi. Zdaj pa raziskovalci na Univerza v Konstanzu v Nemčiji ugotovili, da se ta "izgubljeni" kotni moment dejansko prenese z elektronov na vibracije kristalne mreže materiala v nekaj sto femtosekundah. Izstreljevanje laserskih impulzov na magnetne materiale je mogoče uporabiti za shranjevanje in pridobivanje podatkov, zato bi razumevanje, kako se prenaša kotni moment, lahko vodilo do boljših sistemov za shranjevanje. Eksperiment Konstanz bi lahko vodil tudi do razvoja novih načinov za manipulacijo vrtenja - kar bi lahko koristilo razvoju spintronic naprav.
Ko smo že pri čudežnih materialih, je bilo leto 2022 leto kubičnega borovega arzenida. Ta polprevodnik naj bi imel dve tehnološko pomembni lastnosti – visoko mobilnost lukenj in visoko toplotno prevodnost. Obe napovedi sta bili letos eksperimentalno potrjeni in raziskovalci, ki so to storili, so počaščeni v našem 10 največjih prebojev leta 2022. Vendar se ni ustavilo pri tem, pozneje letos Usama Choudhry in sodelavci na Univerzi v Kaliforniji, Santa Barbara in Univerzi v Houstonu so uporabili skenirajočo ultrahitro elektronsko mikroskopijo, da bi potrdili, da imajo "vroči" elektroni v kubičnem borovem arzenidu dolgo življenjsko dobo. To je še ena zelo zaželena lastnost, ki bi se lahko izkazala za koristno pri razvoju sončnih celic in detektorjev svetlobe.
Ocenjuje se, da se 20 % vse porabljene električne energije na svetu porabi za konvencionalno kompresijsko hlajenje in klimatizacijo. Poleg tega so hladilna sredstva, uporabljena v teh sistemih, močni toplogredni plini, ki pomembno prispevajo k globalnemu segrevanju. Posledično poskušajo znanstveniki razviti okolju prijaznejše hladilne sisteme. zdaj, Peng Wu in sodelavci na Shanghai Tech University so ustvarili kalorični sistem za hlajenje v trdnem stanju, ki uporablja električna polja namesto magnetnih polj za ustvarjanje napetosti v materialu. To je pomembno, ker so električna polja veliko enostavnejša in veliko cenejša za uporabo kot magnetna polja. Še več, učinek se pojavi pri sobni temperaturi – kar je pomembna zahteva za praktičen hladilni sistem.
V letošnji povzetek bomo stlačili še en čudežni material, in to je grafen s čarobnim kotom. To nastane, ko se plasti grafena vrtijo relativno druga proti drugi, kar ustvarja Moiré supermrežo, ki ima vrsto lastnosti, ki so odvisne od kota zasuka. zdaj, Jia li in sodelavci z univerze Brown v ZDA so uporabili grafen s čarobnim kotom, da bi ustvarili material, ki kaže tako magnetizem kot superprevodnost – lastnosti, ki sta običajno na nasprotnih koncih spektra v fiziki kondenzirane snovi. Ekipa je povezala grafen s čarobnim kotom z 2D materialom volframov diselenid. Kompleksna interakcija med obema materialoma je raziskovalcem omogočila transformacijo grafena iz superprevodnika v močan feromagnet. Ta dosežek bi lahko dal fizikom nov način za preučevanje medsebojnega delovanja med tema dvema običajno ločenima pojavoma.
