Vật liệu và công nghệ nano là những lĩnh vực phát triển mạnh đối với các nhà vật lý, những người thường được hưởng lợi từ việc cộng tác với các nhà hóa học, nhà sinh vật học, kỹ sư và tất nhiên là cả các nhà khoa học vật liệu. Điều này làm cho vật liệu và công nghệ nano trở nên hấp dẫn để viết về, và năm nay cũng không ngoại lệ. Dưới đây là tuyển tập một số câu chuyện nghiên cứu về công nghệ nano và vật liệu yêu thích của chúng tôi mà chúng tôi đã xuất bản vào năm 2022.
Sự tích hợp của vật liệu nano với các sinh vật sống là một chủ đề nóng, đó là lý do tại sao nghiên cứu về “sinh học nano kế thừa” này nằm trong danh sách của chúng tôi. Ardemis Boghossian tại EPFL ở Thụy Sĩ và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng một số vi khuẩn nhất định sẽ hấp thụ các ống nano carbon đơn vách (SWCNTs). Hơn nữa, khi các tế bào vi khuẩn phân chia, SWCNTs được phân phối giữa các tế bào con. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng vi khuẩn chứa SWCNTs tạo ra nhiều điện hơn đáng kể khi được chiếu sáng bằng ánh sáng so với vi khuẩn không có ống nano. Do đó, kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát triển các tế bào năng lượng mặt trời sống, ngoài việc tạo ra năng lượng sạch, còn có lượng khí thải carbon âm khi sản xuất.
Phần lớn di sản văn hóa của thế giới tồn tại ở dạng vật chất và các nhà khoa học đóng vai trò quan trọng trong việc bảo tồn quá khứ cho các thế hệ tương lai. Ở Thụy Sĩ và Đức, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật hình ảnh tiên tiến, không xâm lấn để giúp khôi phục các đồ vật thời trung cổ được bao phủ bởi zwischgold. Đây là một vật liệu rất tinh vi bao gồm một lớp vàng siêu mỏng được hỗ trợ bởi một lớp bạc dày hơn. Zwischgold xuống cấp qua nhiều thế kỷ, nhưng các chuyên gia không chắc chắn về cấu trúc ban đầu của nó và cách nó thay đổi theo thời gian, khiến việc phục hồi trở nên khó khăn. Giờ đây, một đội do Qing Wu lãnh đạo tại Đại học Khoa học Ứng dụng và Nghệ thuật Tây Thụy Sĩ và Benjamin Watts tại Viện Paul Scherrer đã sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X tiên tiến để chỉ ra rằng vàng zwischgold có lớp vàng dày 30 nm, so với vàng lá thường dày 140 nm. Họ cũng hiểu rõ hơn về cách vật liệu bắt đầu tách khỏi bề mặt.
Thuật ngữ “chất liệu kỳ diệu” có lẽ đã bị lạm dụng, nhưng tại đây Thế giới vật lý chúng tôi nghĩ rằng đó là một mô tả thích hợp về perovskites – vật liệu bán dẫn có các đặc tính khiến chúng phù hợp để chế tạo pin mặt trời. Tuy nhiên, các thiết bị perovskite có nhược điểm của chúng, một số trong đó có liên quan đến khuyết tật bề mặt và di chuyển ion. Những vấn đề này trở nên trầm trọng hơn do nhiệt độ và độ ẩm – chính những điều kiện mà pin mặt trời thực tế phải chịu đựng. Bây giờ, Stefan De Sói tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah ở Ả-rập Xê-út và các đồng nghiệp đã tạo ra một thiết bị perovskite được làm từ các lớp 2D và 3D có khả năng chịu nhiệt và độ ẩm cao hơn. Điều này là do các lớp 2D hoạt động như một rào cản, ngăn chặn sự di chuyển của cả nước và ion ảnh hưởng đến các bộ phận 3D của thiết bị.
Sự bảo toàn động lượng góc là nền tảng của vật lý. Đây là lý do tại sao các nhà khoa học đã bối rối về số phận của spin trong một số nam châm, vốn dường như biến mất khi vật liệu bị bắn phá bởi các xung laze cực ngắn. Bây giờ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Konstanz ở Đức đã phát hiện ra rằng động lượng góc "mất" này trên thực tế được truyền từ các electron sang các dao động của mạng tinh thể của vật liệu trong vòng vài trăm femto giây. Việc bắn các xung laze vào các vật liệu từ tính có thể được sử dụng để lưu trữ và truy xuất dữ liệu, vì vậy hiểu được cách truyền động lượng góc có thể dẫn đến các hệ thống lưu trữ tốt hơn. Thí nghiệm Konstanz cũng có thể dẫn đến sự phát triển của những cách mới để điều khiển spin – điều này có thể mang lại lợi ích cho sự phát triển của các thiết bị điện tử học spin.
Nói về vật liệu kỳ diệu, năm 2022 là năm của arsenua boron khối. Chất bán dẫn này đã được dự đoán là có hai đặc tính quan trọng về mặt công nghệ – độ linh động của lỗ cao và độ dẫn nhiệt cao. Cả hai dự đoán này đã được xác nhận bằng thực nghiệm trong năm nay và các nhà nghiên cứu đã thực hiện điều đó được vinh danh trong danh sách của chúng tôi. 10 bước đột phá hàng đầu năm 2022. Nhưng chưa dừng lại ở đó, cuối năm nay Usama Choudhry và các đồng nghiệp tại Đại học California, Santa Barbara và Đại học Houston đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét cực nhanh để xác nhận rằng các điện tử “nóng” trong arsenua boron khối có tuổi thọ dài. Đây là một tính chất rất được mong đợi khác có thể tỏ ra hữu ích trong việc phát triển pin mặt trời và máy dò ánh sáng.
Người ta ước tính rằng 20% tổng lượng điện được sử dụng trên toàn cầu được sử dụng cho máy lạnh và điều hòa không khí nén hơi thông thường. Hơn nữa, chất làm lạnh được sử dụng trong các hệ thống này là khí nhà kính mạnh, góp phần đáng kể vào sự nóng lên toàn cầu. Do đó, các nhà khoa học đang cố gắng phát triển các hệ thống làm lạnh thân thiện với môi trường hơn. Bây giờ, Bành Vũ và các đồng nghiệp tại Đại học Công nghệ Thượng Hải đã tạo ra một hệ thống làm mát bằng nhiệt lượng ở trạng thái rắn sử dụng điện trường, thay vì từ trường để tạo ra sức căng trong vật liệu. Điều này rất quan trọng vì điện trường dễ thực hiện hơn và rẻ hơn nhiều so với từ trường. Hơn nữa, hiệu ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng – đây là một yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống làm mát thực tế.
Chúng tôi sẽ giới thiệu thêm một vật liệu kỳ diệu nữa vào danh sách tổng kết năm nay, và đó là graphene góc ma thuật. Điều này được tạo ra khi các lớp graphene được xoay tương đối với nhau, tạo ra một siêu mạng Moiré có một loạt các tính chất phụ thuộc vào góc xoắn. Bây giờ, Jia li và các đồng nghiệp tại Đại học Brown ở Hoa Kỳ đã sử dụng graphene góc ma thuật để tạo ra một vật liệu thể hiện cả tính từ tính và tính siêu dẫn – những tính chất thường ở hai đầu đối diện của quang phổ trong vật lý vật chất ngưng tụ. Nhóm nghiên cứu đã giao tiếp graphene góc ma thuật với vật liệu 2D vonfram diselenua. Sự tương tác phức tạp giữa hai vật liệu cho phép các nhà nghiên cứu biến đổi graphene từ chất siêu dẫn thành chất sắt từ mạnh. Thành tựu này có thể mang đến cho các nhà vật lý một phương pháp mới để nghiên cứu sự tương tác giữa hai hiện tượng thường tách biệt này.
