材料和纳米技术是物理学家蓬勃发展的领域，他们经常受益于与化学家、生物学家、工程师，当然还有材料科学家的合作。 这使得材料和纳米技术的写作引人入胜，今年也不例外。 以下是我们在 2022 年发表的一些我们最喜欢的材料和纳米技术研究故事的精选。
纳米材料与生物体的整合是一个热门话题，这就是为什么这项关于“遗传性纳米仿生学”的研究被列入我们的名单。 阿德米斯博格斯安 瑞士洛桑联邦理工学院及其同事表明，某些细菌会吸收单壁碳纳米管 (SWCNT)。 更重要的是，当细菌细胞分裂时，单壁碳纳米管分布在子细胞中。 该团队还发现，与不含纳米管的细菌相比，含有单壁碳纳米管的细菌在光照时产生的电能明显多得多。 因此，该技术可用于生长活太阳能电池，这种电池不仅可以产生清洁能源，而且在制造方面也具有负碳足迹。
世界上的许多文化遗产都以物质形式存在，科学家在为子孙后代保存过去方面发挥着重要作用。 在瑞士和德国，研究人员使用一种先进的非侵入式成像技术来帮助修复被瑞士金覆盖的中世纪物品。 这是一种高度复杂的材料，由超薄金层和较厚的银层支撑。 Zwischgold 几个世纪以来都在恶化，但专家们一直不确定它的原始结构以及它如何随时间变化，这使得修复变得困难。 现在，以轻舞为首的一支队伍在 瑞士西部应用科学与艺术大学 和 本杰明·沃茨 Paul Scherrer 研究所的研究人员使用先进的 X 射线衍射技术表明，zwischgold 具有 30 nm 厚的金层，而金箔通常为 140 nm。 他们还深入了解了材料是如何开始从表面分离的。
“神奇材料”这个词可能被过度使用了，但在这里 物理世界 我们认为这是对钙钛矿的恰当描述——钙钛矿是一种半导体材料，具有适合制造太阳能电池的特性。 然而，钙钛矿器件有其缺点，其中一些与表面缺陷和离子迁移有关。 高温和潮湿加剧了这些问题——实际太阳能电池必须承受的条件。 现在， 史蒂芬德沃尔夫 沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学及其同事创造了一种由 2D 和 3D 层制成的钙钛矿设备，该设备更耐热和耐湿。 这是因为 2D 层充当屏障，阻止水和离子迁移影响设备的 3D 部分。
角动量守恒是物理学的基石。 这就是为什么科学家们一直对一些磁铁的自旋命运感到困惑，当材料被超短激光脉冲轰击时，自旋似乎消失了。 现在，研究人员在 德国康斯坦茨大学 已经发现这种“丢失”的角动量实际上在几百飞秒内从电子转移到材料晶格的振动中。 向磁性材料发射激光脉冲可用于存储和检索数据，因此了解角动量的传递方式可能会导致更好的存储系统。 康斯坦茨实验还可能导致开发操纵自旋的新方法——这可能有利于自旋电子设备的开发。
说到神奇材料，2022年是立方砷化硼之年。 据预测，这种半导体具有两个技术上重要的特性——高空穴迁移率和高导热性。 这两项预测今年都得到了实验证实，做出这些预测的研究人员在我们的 10 年十大突破. 但它并没有就此停止，今年晚些时候 乌萨马·乔杜里 加州大学圣巴巴拉分校和休斯顿大学的同事使用扫描超快电子显微镜证实立方砷化硼中的“热”电子具有较长的寿命。 这是另一个非常理想的特性，可以证明在太阳能电池和光探测器的开发中很有用。
据估计，全球使用的所有电力中有 20% 用于传统的蒸汽压缩制冷和空调。 此外，这些系统中使用的制冷剂是强大的温室气体，对全球变暖有重大贡献。 因此，科学家们正在努力开发更加环保的制冷系统。 现在， 彭武 和上海科技大学的同事创造了一种固态热量冷却系统，该系统使用电场而不是磁场在材料中产生应变。 这一点很重要，因为电场比磁场更容易实现，成本也更低。 更重要的是，效果发生在室温下——这是对实用冷却系统的重要要求。
我们将在今年的综述中再加入一种奇妙的材料，那就是魔角石墨烯。 这是在石墨烯层相对于彼此旋转时产生的，产生了具有一系列特性的莫尔超晶格，这些特性取决于扭曲的角度。 现在， 佳莉 和美国布朗大学的同事们使用魔角石墨烯创造了一种同时具有磁性和超导性的材料——这两种特性在凝聚态物理学中通常处于光谱的两端。 该团队将魔角石墨烯与二维材料二硒化钨连接起来。 两种材料之间复杂的相互作用使研究人员能够将石墨烯从超导体转变为强大的铁磁体。 这一成就可以为物理学家提供一种新的方法来研究这两种通常独立的现象之间的相互作用。
