Veliko fizikov se ukvarja z materiali in vsako leto se veselimo pisanja o nekaterih najbolj razburljivih raziskavah na tem področju. Letos ni bila izjema in tukaj je nekaj naših najljubših zgodb o materialih iz leta 2023.

V dobi, ko se novi materiali razvijajo z uporabo umetne inteligence, se mi zdi tolažilno, da smo tudi sredi ponovnega vzpona zanimanja za les. To je zagotovo eden najstarejših materialov, ki jih uporabljajo ljudje, in danes raziskovalci po vsem svetu razvijajo nove načine uporabe tega obnovljivega vira za ustvarjanje razburljivih materialov. zdaj, Isak Engquist of Laboratorij za organsko elektroniko univerze Linköping in kolegi na Švedskem so izdelali tranzistor iz lesene deske. To so storili tako, da so v material vgradili električno prevodne polimere na način, ki ustvarja prostor za ionsko prevodni elektrolit. Njihova nova tehnika izdelave omogoča uporabo lesa kot predloge za številne elektronske komponente, vendar ekipa priznava, da leseni tranzistorji ne bi prišli niti blizu zmogljivosti običajnih naprav. Ena od možnih aplikacij bi lahko bila integracija elektronike v žive rastline – a tudi če je lesenega tranzistorja malo praktičnih uporab, je še vedno čeden trik.

Tako kot les je tudi voda vseprisoten material z izjemnimi lastnostmi. Za razliko od večine snovi je trdna voda manj gosta od tekoče vode, kar omogoča vodno življenje na velikih območjih Zemlje, kjer temperature redno padejo pod 0 °C. Znano je, da je led sestavljen iz vsaj 20 različnih kristalnih struktur. Zdaj so raziskovalci na Kitajskem pod vodstvom Lifen Wang in Xuedong Bai iz Pekinški nacionalni laboratorij za fiziko kondenzirane snovi in Laboratorij za materiale jezera Songshan v Dongguanu so prvi potrdili obstoj kubičnega ledu, ki ima diamantno-kubično strukturo vodnih molekul. Ta led naj bi bil odgovoren za Scheinerjev halo, ki je izjemno redek optični učinek, ki ustvari svetlobni obroč okoli Sonca pri približno 28°. To ni podobno običajnemu haloju 22°, ki ga povzroča lom skozi šesterokotne ledene kristale. Ekipa je ustvarila kubični led na zamrzovalni plošči iz enoslojnega grafena in spremljala njegovo tvorbo s kriogeno transmisijsko elektronsko mikroskopijo. Njihova tehnika bi se lahko izkazala za uporabno za preučevanje, kako se led vseh vrst oblikuje na površinah.

Eden od zmagoslavij fizike 20. stoletja je teorija superprevodnosti BCS, ki je bila razvita v petdesetih letih 1950. stoletja, da bi pojasnila, zakaj imajo nekateri materiali ničelni električni upor pri zelo nizkih temperaturah. Ideja je, da se elektroni v teh superprevodnikih združijo in ustvarijo bozone. Ti "Cooperjevi pari" se lahko nato kondenzirajo in tvorijo supertekočo snov, ki lahko teče brez upora. Čeprav obstajajo posredni dokazi za obstoj Cooperjevih parov, fiziki še niso izmerili negativne korelacije med vrtljaji elektronov v paru – kar bi bil neposreden dokaz za obstoj para. Zdaj so fiziki v Švici in Italiji na čelu Arunav Bordoloi na Univerzi v Baslu so uporabili dve kvantni piki za ekstrahiranje Cooperjevih parov iz drobnega kosa superprevodnika. Nato so razdelili pare in izmerili njihove spinske polarizacije, pri čemer so ugotovili, da običajno kažejo v nasprotnih smereh - tako kot je napovedala teorija BCS.

Pred desetletji, ko sem bil na univerzi, so bili fraktali v modi – deloma zaradi visokokakovostnih vizualizacij, ki jih je ustvaril Benoit Mandelbrot. Zato me vedno zanima, kdaj se danes pojavijo v raziskavah. februarja Claudio Castelnovo na Univerzi v Cambridgeu in sodelavci v Združenem kraljestvu, Nemčiji, ZDA in Argentini so pokazali, da se nova vrsta fraktala skriva v vrtljivem ledu. Spin led so materiali z magnetnimi momenti, ki so frustrirani, ker se pri nizkih temperaturah ne morejo usedati v periodično konfiguracijo. Namesto tega postanejo trenutki zamrznjeni s stopnjo motnje, ki je podobna tisti v vodnem ledu. Leta 2009 so fiziki trdili, da se vzbujanja v nekaterih spinskih ledih obnašajo kot magnetni monopoli. Zdaj so Castelnovo in sodelavci pokazali, da se ti monopoli premikajo v fraktalnem svetu vedno razvejanih trajektorij, namesto da bi se prosto premikali v 3D. Preučevanje monopolov v vrtilnem ledu bi lahko bilo pomembno za številne aplikacije, pravi član ekipe  Jonathan Nilsson Hallén ki ima sedež v Cambridgeu in Dresdnu. "Spin led je eden najbolj dostopnih primerov topoloških magnetov in magnetni monopoli v spin ledu so eden izmed najbolje razumljenih primerov frakcionaliziranih vzburjenj," pravi.

Belo krzno polarnega medveda zagotavlja kamuflažo v zasneženi arktični pokrajini. Morda pa mislite, da bi bela dlaka slabo ogrela medvede na soncu. To ne drži, ker je krzno polarnega medveda zasnovano tako, da usmerja sončno svetlobo v medvedovo temno kožo, kjer se učinkovito absorbira. Še več, krzno je zelo dobro pri lovljenju toplote, ki jo seva medvedova koža – v bistvu ustvarja učinek tople grede. zdaj,  Trisha Andrew in sodelavci z Univerze Massachusetts Amherst so ustvarili novo dvoslojno tkanino po navdihu polarnih medvedov, ki absorbira energijo sonca in notranje razsvetljave ter jo ujame, da ohranja toploto. Ko je izpostavljen jakosti svetlobe 130 W/m² (dolgočasen sredi zime v Angliji) greje svojega uporabnika tako kot bombažna tkanina – vendar pri temperaturah, ki so za 10 °C nižje in hkrati tehta 30 % manj. »Naša tkanina za polarnega medveda bi lahko bila zelo uporabna za upravljanje ogrevanja prostorov, ki porablja ogromne količine energije, na bolj energetsko učinkovit način, tako da ogreva ljudi v zaprtih prostorih z uporabo ambientalne osvetlitve namesto ogrevanja prostora,« pravi Andrew.

Tukaj imamo radi kvazidelec Svet fizike, zato smo bili navdušeni, da so fiziki leta 2023 končno odkrili »borovega demona«. Prvič napovedal leta 1952 David Pines in David Bohm, je ta kvazidelec kvantizirana fluktuacija elektronske gostote v plazmi. Kvazidelec nastane, ko se elektroni v različnih pasovih kovine premaknejo iz faze drug z drugim, tako da ohranjajo celoten naboj statičen. Dejansko je demon kolektivno gibanje nevtralnih kvazidelcev – in demon je tudi brez mase in ne more komunicirati s svetlobo. Zaradi vsega tega je kvazidelce zelo težko zaznati. zdaj,  Peter Abbamonte z Univerze Illinois Urbana-Champaign (UIUC) v ZDA in sodelavci so našli dokaze o demonu z uporabo tehnike, imenovane spektroskopija izgube energije elektronov, da identificirajo vzbujanje, povezano s Pinesovim demonom v posameznih kristalih stroncijevega rutenata.

Zdi se, da imamo ljudje do betona ljubezensko-sovražni odnos. Praktičnost materiala podpira večino grajenega okolja, vendar obsojamo njegov včasih brutalen videz in ogromne količine ogljikovega dioksida, ki se oddajajo med njegovo proizvodnjo. Zdaj ekipa v ZDA, ki jo vodi MIT  Franz-Josef Ulm, Admir Mašić in Yang-Shao Horn so razvili vrsto betona, ki se lahko uporablja za izdelavo superkondenzatorjev za shranjevanje energije. Proizvodnja se začne s suho mešanico saj in cementa, ki ji dodajo vodo in superplastifikatorje. Ko se material strdi, ustvari fraktalu podobno mrežo por, zaradi česar je material prevodnik z zelo veliko površino. To je točno tisto, kar želite za elektrode kondenzatorja, kjer večja kot je površina, večja je kapacitivnost. Po mnenju ekipe bi betonski kondenzator velikosti 3.55 m kocke lahko shranil približno 10 kWh energije. Hiša, zgrajena s temelji, ki vsebujejo te kondenzatorje, bi torej lahko shranila dnevno količino energije – ki jo na primer proizvedejo sončni paneli – in jo sprostila, ko je to potrebno. Material bi lahko uporabili tudi v osnovi vetrne turbine, kjer bi lahko shranili odvečno energijo, dokler je ne potrebujejo. Tehnologijo bi lahko uporabili tudi za shranjevanje obnovljive energije v infrastrukturi, kot so ceste in parkirišča, kjer bi se energija lahko z indukcijo prenesla v vozila.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/