Material och nanoteknik är blomstrande områden för fysiker, som ofta drar nytta av att samarbeta med kemister, biologer, ingenjörer och, naturligtvis, materialvetare. Detta gör material och nanoteknik fascinerande att skriva om, och detta år har inte varit något undantag. Här är ett urval av några av våra favoritmaterial och nanoteknikforskningsberättelser som vi publicerade 2022.
Integreringen av nanomaterial med levande organismer är ett hett ämne, varför denna forskning om "ärvd nanobionik" finns på vår lista. Ardemis Boghossian vid EPFL i Schweiz och kollegor har visat att vissa bakterier kommer att ta upp enkelväggiga kolnanorör (SWCNT). Vad mer är, när bakteriecellerna delar sig fördelas SWCNTs bland dottercellerna. Teamet fann också att bakterier som innehåller SWCNT producerar betydligt mer elektricitet när de belyses med ljus än bakterier utan nanorör. Som ett resultat skulle tekniken kunna användas för att odla levande solceller, som förutom att generera ren energi också har ett negativt koldioxidavtryck när det kommer till tillverkning.
Mycket av världens kulturarv finns i materiell form och forskare spelar viktiga roller för att bevara det förflutna för framtida generationer. I Schweiz och Tyskland har forskare använt en avancerad, icke-invasiv avbildningsteknik för att hjälpa till att återställa medeltida föremål som är täckta av zwischguld. Det här är ett mycket sofistikerat material som består av ett ultratunt guldlager som backas upp av ett tjockare lager av silver. Zwischgold försämras under århundradena, men experter hade varit osäkra på dess ursprungliga struktur och hur den förändras med tiden, vilket gör restaureringen svår. Nu, ett team ledd av Qing Wu på Högskolan för yrkeshögskola och konst i västra Schweiz och Benjamin Watts vid Paul Scherrer Institute har använt en avancerad röntgendiffraktionsteknik för att visa att zwischgold har ett 30 nm tjockt guldskikt, jämfört med bladguld, som vanligtvis är 140 nm. De fick också insikter i hur materialet börjar separeras från ytor.
Termen "undermaterial" är förmodligen överanvänd, men här kl Fysikvärlden vi tycker att det är en träffande beskrivning av perovskiterna – halvledarmaterial med egenskaper som gör dem lämpliga för tillverkning av solceller. Men perovskitanordningar har sina nackdelar, av vilka några är relaterade till ytdefekter och jonmigrering. Dessa problem förvärras av värme och fukt – just de förhållanden som praktiska solceller måste utstå. Nu, Stefan De Wolf vid King Abdullah University of Science and Technology i Saudiarabien och kollegor har skapat en perovskitenhet gjord av 2D- och 3D-lager som är mer motståndskraftig mot värme och fukt. Detta beror på att 2D-lagren fungerar som en barriär och hindrar både vatten- och jonmigrering från att påverka 3D-delar av enheten.
Bevarandet av vinkelmomentum är en hörnsten i fysiken. Detta är anledningen till att forskare hade förbryllats över ödet för spinn i vissa magneter, som verkade försvinna när materialen bombarderas av ultrakorta laserpulser. Nu har forskare vid Universitetet i Konstanz i Tyskland har funnit att denna "förlorade" rörelsemängd faktiskt överförs från elektroner till vibrationer i materialets kristallgitter inom några hundra femtosekunder. Att avfyra laserpulser mot magnetiska material kan användas för att lagra och hämta data, så att förstå hur vinkelmoment överförs kan leda till bättre lagringssystem. Konstanz-experimentet kan också leda till utvecklingen av nya sätt att manipulera spinn – vilket kan gynna utvecklingen av spintroniska enheter.
På tal om undermaterial, 2022 var året för kubisk borarsenid. Denna halvledare hade förutspåtts ha två tekniskt betydelsefulla egenskaper – hög hålrörlighet och hög värmeledningsförmåga. Båda dessa förutsägelser bekräftades experimentellt i år och forskarna som gjorde det är hedrade i vår Topp 10 genombrott 2022. Men det har inte stannat där, senare i år Usama Choudhry och kollegor vid University of California, Santa Barbara och University of Houston använde ultrasnabb elektronmikroskopi för att bekräfta att "heta" elektroner i kubisk borarsenid har lång livslängd. Detta är en annan mycket önskvärd egenskap som kan visa sig användbar vid utvecklingen av solceller och ljusdetektorer.
Det uppskattas att 20 % av all el som används globalt går åt till konventionell ångkompressionskylning och luftkonditionering. Vidare är köldmedierna som används i dessa system kraftfulla växthusgaser som avsevärt bidrar till den globala uppvärmningen. Som ett resultat försöker forskare utveckla mer miljövänliga kylsystem. Nu, Peng Wu och kollegor vid Shanghai Tech University har skapat ett solid-state kalorikylningssystem som använder elektriska fält, snarare än magnetfälten för att skapa spänning i ett material. Detta är viktigt eftersom elektriska fält är mycket enklare och mycket billigare att implementera än magnetiska fält. Effekten uppstår dessutom vid rumstemperatur – vilket är ett viktigt krav för ett praktiskt kylsystem.
Vi kommer att klämma in ytterligare ett undermaterial i årets round-up, och det är magisk vinkelgrafen. Detta skapas när lager av grafen roteras i förhållande till varandra, vilket skapar ett Moiré-supergitter som har en rad egenskaper som beror på vridningsvinkeln. Nu, Jia li och kollegor vid Brown University i USA har använt grafen med magisk vinkel för att skapa ett material som uppvisar både magnetism och supraledning – egenskaper som vanligtvis finns i motsatta ändar av spektrumet i fysik av kondenserad materia. Teamet kombinerade magisk vinkelgrafen med 2D-materialet volframdiselenid. Den komplexa interaktionen mellan de två materialen gjorde det möjligt för forskarna att omvandla grafen från en supraledare till en kraftfull ferromagnet. Denna prestation skulle kunna ge fysiker ett nytt sätt att studera samspelet mellan dessa två vanligtvis separata fenomen.
