Có rất nhiều nhà vật lý đang nghiên cứu về vật liệu và hàng năm chúng tôi mong muốn viết về một số nghiên cứu thú vị nhất trong lĩnh vực này. Năm nay cũng không ngoại lệ và đây là một số câu chuyện về tài liệu yêu thích của chúng tôi từ năm 2023.

Trong thời đại mà các vật liệu mới được tạo ra bằng trí tuệ nhân tạo, tôi thấy thật an ủi khi chúng ta cũng đang trong giai đoạn hồi sinh mối quan tâm đến gỗ. Nó chắc chắn là một trong những vật liệu cổ xưa nhất được con người sử dụng và ngày nay các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang phát triển những cách mới để sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo này để tạo ra những vật liệu thú vị. Hiện nay, Isak Engquist of Phòng thí nghiệm Điện tử hữu cơ của Đại học Linköping và các đồng nghiệp ở Thụy Điển đã chế tạo được một bóng bán dẫn từ một tấm ván gỗ. Họ làm được điều này bằng cách kết hợp các polyme dẫn điện khắp vật liệu theo cách tạo ra không gian cho chất điện phân dẫn điện ion. Kỹ thuật chế tạo mới của họ cho phép sử dụng gỗ làm khuôn mẫu cho nhiều linh kiện điện tử, nhưng nhóm nghiên cứu thừa nhận rằng các bóng bán dẫn bằng gỗ sẽ không thể đạt được hiệu suất của các thiết bị thông thường. Một ứng dụng khả thi có thể là việc tích hợp các thiết bị điện tử vào thực vật sống – nhưng ngay cả khi bóng bán dẫn bằng gỗ có ít ứng dụng thực tế thì đó vẫn là một thủ thuật hay.

Giống như gỗ, nước là vật liệu phổ biến với những đặc tính phi thường. Không giống như hầu hết các chất, nước rắn ít đậm đặc hơn nước lỏng, tạo điều kiện cho đời sống thủy sinh tồn tại trên những vùng đất rộng lớn trên Trái đất, nơi nhiệt độ thường xuyên giảm xuống dưới 0 °C. Người ta biết rằng băng có ít nhất 20 cấu trúc tinh thể khác nhau. Giờ đây, các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc do Lifen Wang và Xuedong Bai của Phòng thí nghiệm Vật lý Vật chất Ngưng tụ Quốc gia Bắc Kinh và Phòng thí nghiệm vật liệu hồ Tùng Sơn ở Đông Quản là những người đầu tiên xác nhận sự tồn tại của khối băng, có cấu trúc khối kim cương gồm các phân tử nước. Lớp băng này được cho là nguyên nhân tạo ra quầng sáng Scheiner, một hiệu ứng quang học cực kỳ hiếm tạo ra một vòng ánh sáng xung quanh Mặt trời ở khoảng 28°. Điều này không giống như quầng sáng 22° thông thường gây ra bởi sự khúc xạ qua các tinh thể băng hình lục giác. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra khối băng trên một tấm đóng băng làm từ graphene đơn lớp và theo dõi sự hình thành của nó bằng kính hiển vi điện tử truyền qua đông lạnh. Kỹ thuật của họ có thể tỏ ra hữu ích cho việc nghiên cứu cách các loại băng hình thành trên bề mặt.

Một trong những thành tựu của vật lý thế kỷ 20 là lý thuyết siêu dẫn BCS, được phát triển vào những năm 1950 để giải thích tại sao một số vật liệu có điện trở bằng XNUMX ở nhiệt độ rất thấp. Ý tưởng là các electron trong các chất siêu dẫn này kết hợp với nhau để tạo ra các boson. Những “cặp Cooper” này sau đó có thể ngưng tụ để tạo thành một chất giống siêu lỏng có thể chảy mà không bị cản trở. Trong khi có bằng chứng gián tiếp cho sự tồn tại của các cặp Cooper, các nhà vật lý vẫn chưa đo được mối tương quan nghịch giữa spin của các electron trong một cặp – đó sẽ là bằng chứng trực tiếp cho sự tồn tại của một cặp. Hiện nay, các nhà vật lý ở Thụy Sĩ và Ý dẫn đầu bởi Arunav Bordoloi tại Đại học Basel đã sử dụng hai chấm lượng tử để tách các cặp Cooper từ một mảnh chất siêu dẫn nhỏ. Sau đó, họ tách các cặp ra và đo độ phân cực spin của chúng, nhận thấy rằng chúng thường hướng theo các hướng ngược nhau – đúng như lý thuyết BCS dự đoán.

Nhiều thập kỷ trước, khi tôi còn học đại học, fractal đã trở thành xu hướng thịnh hành - một phần là do những hình ảnh trực quan chất lượng cao do Benoit Mandelbrot tạo ra. Vì vậy, tôi luôn quan tâm khi chúng xuất hiện trong nghiên cứu ngày nay. Trong tháng Hai, Claudio Castelnovo tại Đại học Cambridge và các đồng nghiệp ở Anh, Đức, Mỹ và Argentina đã chứng minh rằng một loại fractal mới đang ẩn nấp trong một tảng băng quay. Băng spin là những vật liệu có mômen từ bị cản trở vì chúng không thể ổn định thành cấu hình tuần hoàn ở nhiệt độ thấp. Thay vào đó, các khoảnh khắc trở nên đông cứng với mức độ hỗn loạn tương tự như mức độ được tìm thấy trong nước đá. Năm 2009, các nhà vật lý lý luận rằng các kích thích ở một số băng spin hành xử giống như các đơn cực từ. Giờ đây, Castelnovo và các đồng sự đã chỉ ra rằng những đơn cực này chuyển động trong một thế giới fractal với những quỹ đạo luôn phân nhánh, thay vì chuyển động tự do trong không gian 3D. Thành viên nhóm nghiên cứu cho biết việc nghiên cứu các đơn cực trong băng spin có thể quan trọng đối với nhiều ứng dụng  Jonathan Nilsson Hallen người có trụ sở tại Cambridge và Dresden. “Spin Ice là một trong những trường hợp dễ tiếp cận nhất của nam châm tôpô, và đơn cực từ trong băng spin là một trong những ví dụ dễ hiểu nhất về các kích thích phân đoạn,” ông nói.

Bộ lông trắng của gấu Bắc Cực giúp ngụy trang trong khung cảnh Bắc Cực đầy tuyết. Tuy nhiên, bạn có thể nghĩ rằng một chiếc áo khoác trắng sẽ không có tác dụng làm ấm gấu dưới ánh nắng mặt trời. Điều này không đúng vì lông gấu Bắc Cực được thiết kế để truyền ánh sáng mặt trời đến làn da sẫm màu của gấu, nơi ánh sáng được hấp thụ hiệu quả. Hơn nữa, bộ lông có khả năng giữ nhiệt tỏa ra từ da gấu rất tốt – về cơ bản là tạo ra hiệu ứng nhà kính. Hiện nay,  Trisha Andrew và các đồng nghiệp tại Đại học Massachusetts Amherst đã tạo ra một loại vải hai lớp mới lấy cảm hứng từ gấu Bắc Cực có khả năng hấp thụ năng lượng từ Mặt trời và ánh sáng trong nhà rồi giữ lại để duy trì độ ấm. Khi tiếp xúc với cường độ ánh sáng 130 W/m² (một ngày giữa mùa đông buồn tẻ ở Anh), nó giữ ấm cho người mặc như vải cotton – nhưng ở nhiệt độ lạnh hơn 10 °C và nặng hơn 30%. Andrew cho biết: “Vải gấu Bắc cực của chúng tôi có thể rất hữu ích trong việc quản lý hệ thống sưởi không gian vốn tiêu thụ lượng năng lượng khổng lồ theo cách tiết kiệm năng lượng hơn bằng cách sưởi ấm mọi người trong nhà bằng cách sử dụng ánh sáng xung quanh thay vì sưởi ấm trong phòng”.

Chúng tôi thực sự yêu thích một giả hạt ở đây tại Thế giới vật lý, vì vậy chúng tôi rất vui vì cuối cùng vào năm 2023, các nhà vật lý đã phát hiện ra “con quỷ cây thông”. Dự đoán đầu tiên vào năm 1952 bởi David Pines và David Bohm, giả hạt này là một dao động mật độ electron được lượng tử hóa trong plasma. Giả hạt hình thành khi các electron ở các dải kim loại khác nhau chuyển động lệch pha nhau sao cho chúng giữ cho tổng điện tích ở trạng thái tĩnh. Trên thực tế, con quỷ là chuyển động tập thể của các giả hạt trung tính – và con quỷ cũng không có khối lượng và không thể tương tác với ánh sáng. Tất cả những điều này làm cho các giả hạt rất khó bị phát hiện. Hiện nay,  Peter Abbamonte của Đại học Illinois Urbana-Champaign (UIUC) ở Hoa Kỳ và các đồng nghiệp đã tìm thấy bằng chứng cho thấy con quỷ sử dụng một kỹ thuật gọi là quang phổ tổn thất năng lượng điện tử để xác định sự kích thích liên quan đến con quỷ Pines trong các tinh thể strontium ruthenate đơn lẻ.

Con người dường như có mối quan hệ yêu-ghét với bê tông. Tính thực tế của vật liệu này củng cố phần lớn môi trường xây dựng, tuy nhiên chúng tôi chê bai vẻ ngoài đôi khi tàn bạo của nó và lượng lớn carbon dioxide thải ra trong quá trình sản xuất. Bây giờ, một nhóm nghiên cứu ở Mỹ do MIT dẫn đầu  Franz-Josef Ulm, ngưỡng mộ Masic và Sừng Yang-Shao đã phát triển một loại bê tông có thể được sử dụng để tạo ra siêu tụ điện để lưu trữ năng lượng. Quá trình sản xuất bắt đầu bằng hỗn hợp khô gồm cacbon đen và xi măng, sau đó thêm nước và chất siêu dẻo. Khi vật liệu đông đặc lại, nó tạo ra một mạng lưới các lỗ giống như fractal khiến vật liệu trở thành chất dẫn điện với diện tích bề mặt rất lớn. Đây chính xác là những gì bạn muốn đối với các điện cực của tụ điện, nơi diện tích bề mặt càng lớn thì điện dung càng lớn. Theo nhóm nghiên cứu, một tụ điện bê tông có kích thước bằng một khối lập phương 3.55 m sẽ có thể lưu trữ khoảng 10 kWh năng lượng. Do đó, một ngôi nhà được xây dựng với nền móng chứa các tụ điện này có thể lưu trữ năng lượng trị giá một ngày - chẳng hạn như được sản xuất bởi các tấm pin mặt trời - và giải phóng nó khi cần thiết. Vật liệu này cũng có thể được sử dụng làm đế của tuabin gió, nơi nó có thể lưu trữ năng lượng dư thừa cho đến khi cần thiết. Công nghệ này cũng có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng tái tạo trong cơ sở hạ tầng như đường sá và bãi đỗ xe, nơi năng lượng có thể được truyền bằng cảm ứng tới các phương tiện giao thông.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/