วัสดุและนาโนเทคโนโลยีเป็นสาขาที่เฟื่องฟูสำหรับนักฟิสิกส์ ซึ่งมักจะได้ประโยชน์จากการร่วมมือกับนักเคมี นักชีววิทยา วิศวกร และแน่นอนว่านักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ สิ่งนี้ทำให้วัสดุและนาโนเทคโนโลยีน่าสนใจที่จะเขียนถึง และในปีนี้ก็ไม่มีข้อยกเว้น ต่อไปนี้เป็นเรื่องราวการวิจัยวัสดุและนาโนเทคโนโลยีที่เราชื่นชอบซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในปี 2022
การรวมวัสดุนาโนเข้ากับสิ่งมีชีวิตเป็นประเด็นร้อน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมงานวิจัยนี้เกี่ยวกับ "นาโนไบโอนิกที่สืบทอดมา" จึงอยู่ในรายการของเรา อาร์เดมิส โบโกเซียน ที่ EPFL ในสวิตเซอร์แลนด์และเพื่อนร่วมงานได้แสดงให้เห็นว่าแบคทีเรียบางชนิดจะยึดท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังชั้นเดียว (SWCNTs) ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเซลล์แบคทีเรียแตกออก SWCNTs จะถูกกระจายไปตามเซลล์ลูกสาว ทีมงานยังพบว่าแบคทีเรียที่มี SWCNTs ผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าเมื่อส่องด้วยแสงอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าแบคทีเรียที่ไม่มีท่อนาโน เป็นผลให้สามารถใช้เทคนิคนี้เพื่อขยายเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีชีวิต ซึ่งรวมถึงการผลิตพลังงานสะอาด และยังปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในด้านการผลิตอีกด้วย
มรดกทางวัฒนธรรมของโลกส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปแบบวัตถุ และนักวิทยาศาสตร์มีบทบาทสำคัญในการอนุรักษ์อดีตสำหรับคนรุ่นอนาคต ในสวิตเซอร์แลนด์และเยอรมนี นักวิจัยได้ใช้เทคนิคการถ่ายภาพขั้นสูงที่ไม่รุกรานเพื่อช่วยฟื้นฟูวัตถุยุคกลางที่เคลือบด้วย zwischgold นี่คือวัสดุที่มีความซับซ้อนสูงซึ่งประกอบด้วยชั้นทองคำบางพิเศษที่รองด้วยชั้นเงินที่หนากว่า Zwischgold ทรุดโทรมลงตลอดหลายศตวรรษที่ผ่านมา แต่ผู้เชี่ยวชาญไม่แน่ใจในโครงสร้างเดิมและการเปลี่ยนแปลงตามเวลา ทำให้ยากต่อการบูรณะ ตอนนี้ทีมที่นำโดย Qing Wu ที่ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ประยุกต์และศิลปะแห่งสวิตเซอร์แลนด์ตะวันตก และ เบนจามิน วัตส์ ที่สถาบัน Paul Scherrer ได้ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ขั้นสูงเพื่อแสดงให้เห็นว่า zwischgold มีชั้นทองคำหนา 30 นาโนเมตร เมื่อเทียบกับทองคำเปลวซึ่งโดยทั่วไปจะมีความหนา 140 นาโนเมตร พวกเขายังได้รับข้อมูลเชิงลึกว่าวัสดุเริ่มแยกออกจากพื้นผิวได้อย่างไร
คำว่า "วัสดุมหัศจรรย์" อาจใช้มากเกินไป แต่ที่นี่ที่ โลกฟิสิกส์ เราคิดว่านี่เป็นคำอธิบายที่เหมาะสมของ perovskites ซึ่งเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เพอร์รอฟสไกต์มีข้อเสีย ซึ่งบางส่วนเกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องของพื้นผิวและการโยกย้ายไอออน ปัญหาเหล่านี้ทวีความรุนแรงขึ้นจากความร้อนและความชื้น ซึ่งเป็นสภาวะที่เซลล์แสงอาทิตย์ภาคปฏิบัติต้องทน ตอนนี้, สเตฟาน เดอ วูล์ฟ ที่ King Abdullah University of Science and Technology ในซาอุดีอาระเบียและเพื่อนร่วมงานได้สร้างอุปกรณ์ perovskite ที่ทำจากชั้น 2D และ 3D ซึ่งทนความร้อนและความชื้นได้ดีกว่า ทั้งนี้เนื่องจากเลเยอร์ 2 มิติทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกัน หยุดทั้งน้ำและไอออนไม่ให้ส่งผลกระทบต่อชิ้นส่วน 3 มิติของอุปกรณ์
การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมเป็นรากฐานที่สำคัญของฟิสิกส์ นี่คือสาเหตุที่นักวิทยาศาสตร์รู้สึกงงงวยเกี่ยวกับชะตากรรมของการหมุนของแม่เหล็กบางชนิด ซึ่งดูเหมือนจะหายไปเมื่อวัสดุถูกโจมตีด้วยพัลส์เลเซอร์ที่สั้นเกินขีด ขณะนี้นักวิจัยที่ มหาวิทยาลัย Konstanz ในเยอรมนี ได้พบว่าความจริงแล้วโมเมนตัมเชิงมุมที่ "หายไป" นี้ถูกถ่ายโอนจากอิเล็กตรอนไปยังการสั่นของโครงผลึกของวัสดุภายในเวลาไม่กี่ร้อยเฟมโตวินาที การยิงเลเซอร์พัลส์ที่วัสดุแม่เหล็กสามารถใช้ในการจัดเก็บและดึงข้อมูล ดังนั้นการทำความเข้าใจว่าการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมอาจนำไปสู่ระบบการจัดเก็บที่ดีขึ้นได้อย่างไร การทดลองของ Konstanz ยังอาจนำไปสู่การพัฒนาวิธีใหม่ๆ ในการจัดการสปิน ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาอุปกรณ์สปินโทรนิกส์
เมื่อพูดถึงวัสดุมหัศจรรย์ ปี 2022 เป็นปีแห่งคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์ สารกึ่งตัวนำนี้ได้รับการคาดการณ์ว่ามีคุณสมบัติที่สำคัญทางเทคโนโลยีสองประการ ได้แก่ การเคลื่อนที่ของรูสูงและการนำความร้อนสูง การคาดการณ์ทั้งสองนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองในปีนี้และนักวิจัยที่ทำเช่นนั้นได้รับเกียรติจากเรา 10 สุดยอดนวัตกรรมแห่งปี 2022. แต่ยังไม่หยุดเพียงแค่นั้นในปลายปีนี้ อุซามะห์ ชูดรี และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา และมหาวิทยาลัยฮูสตันใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนความเร็วสูงเพื่อยืนยันว่าอิเล็กตรอน "ร้อน" ในคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์มีอายุการใช้งานยาวนาน นี่เป็นคุณสมบัติที่เป็นที่ต้องการอย่างมากอีกประการหนึ่งที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์ในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์และตัวตรวจจับแสง
ประมาณว่า 20% ของไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ทั่วโลกถูกใช้ไปกับระบบทำความเย็นแบบบีบอัดไอและเครื่องปรับอากาศ นอกจากนี้ สารทำความเย็นที่ใช้ในระบบเหล่านี้ยังเป็นก๊าซเรือนกระจกที่ทรงพลังซึ่งมีส่วนสำคัญต่อภาวะโลกร้อน เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์พยายามพัฒนาระบบทำความเย็นที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ตอนนี้, เผิงหู่ และเพื่อนร่วมงานที่ Shanghai Tech University ได้สร้างระบบระบายความร้อนด้วยความร้อนแบบ solid-state ซึ่งใช้สนามไฟฟ้าแทนที่จะใช้สนามแม่เหล็กเพื่อสร้างความเครียดในวัสดุ นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากสนามไฟฟ้าทำได้ง่ายกว่ามากและถูกกว่าสนามแม่เหล็กมาก ยิ่งไปกว่านั้น ผลกระทบจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับระบบทำความเย็นที่ใช้งานได้จริง
เราจะนำวัสดุที่น่าพิศวงอีกหนึ่งอย่างมารวมไว้ในงานสรุปปีนี้ นั่นคือกราฟีนมุมมหัศจรรย์ สิ่งนี้ถูกสร้างขึ้นเมื่อชั้นของกราฟีนถูกหมุนสัมพันธ์กัน ทำให้เกิด Moiré superlattice ที่มีคุณสมบัติหลากหลายขึ้นอยู่กับมุมของการบิด ตอนนี้, Jia li และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยบราวน์ในสหรัฐอเมริกาได้ใช้กราฟีนมุมมหัศจรรย์เพื่อสร้างวัสดุที่แสดงทั้งแม่เหล็กและตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่มักจะอยู่ตรงข้ามปลายสเปกตรัมในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ทีมงานได้เชื่อมต่อกราฟีนมุมมหัศจรรย์กับทังสเตนไดเซเลไนด์ที่เป็นวัสดุ 2 มิติ ปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างวัสดุทั้งสองทำให้นักวิจัยสามารถเปลี่ยนกราฟีนจากตัวนำยิ่งยวดให้เป็นเฟอร์โรแมกเนติกอันทรงพลังได้ ความสำเร็จนี้อาจทำให้นักฟิสิกส์มีแนวทางใหม่ในการศึกษาการทำงานร่วมกันระหว่างสองปรากฏการณ์ที่มักแยกจากกัน
