فیزیکدانان زیادی روی مواد کار می کنند و هر سال ما مشتاقانه منتظر نوشتن برخی از هیجان انگیزترین تحقیقات در این زمینه هستیم. امسال نیز از این قاعده مستثنی نبود و در اینجا برخی از داستان های مواد مورد علاقه ما در سال 2023 آورده شده است.

در دورانی که مواد جدیدی با استفاده از هوش مصنوعی ابداع می‌شوند، به نظرم آرامش‌بخش است که ما نیز در میانه‌ی تجدید علاقه به چوب هستیم. مطمئناً یکی از قدیمی ترین مواد مورد استفاده بشر است و امروزه محققان در سراسر جهان در حال توسعه راه های جدیدی برای استفاده از این منبع تجدید پذیر برای ایجاد مواد هیجان انگیز هستند. اکنون، ایساک انگکوئیست of آزمایشگاه الکترونیک آلی دانشگاه لینکوپینگ و همکارانش در سوئد یک ترانزیستور از یک تخته چوب ساخته اند. آنها این کار را با ترکیب پلیمرهای رسانای الکتریکی در سرتاسر مواد انجام دادند به نحوی که فضایی برای الکترولیت رسانای یونی ایجاد کند. روش ساخت جدید آنها استفاده از چوب را به عنوان الگوی قطعات الکترونیکی متعدد ممکن می‌سازد، اما تیم اعتراف می‌کند که ترانزیستورهای چوبی به هیچ وجه عملکرد دستگاه‌های معمولی را ندارند. یکی از کاربردهای ممکن می تواند ادغام الکترونیک در گیاهان زنده باشد – اما حتی اگر کاربردهای عملی کمی برای ترانزیستور چوبی وجود داشته باشد، باز هم یک ترفند ساده است.

آب نیز مانند چوب ماده ای است که در همه جا حاضر است و خواص فوق العاده ای دارد. بر خلاف بسیاری از مواد، آب جامد چگالی کمتری نسبت به آب مایع دارد، و زندگی آبزیان را در مناطق وسیعی از زمین که دما به طور منظم به زیر صفر درجه سانتیگراد می‌رسد ممکن می‌سازد. شناخته شده است که یخ در حداقل 0 ساختار کریستالی مختلف وجود دارد. در حال حاضر، محققان در چین به رهبری Lifen Wang و Xuedong Bai از آزمایشگاه ملی پکن برای فیزیک ماده متراکم و آزمایشگاه مواد دریاچه سونگشان در Dongguan اولین کسانی هستند که وجود یخ مکعبی را تأیید کردند که ساختاری الماس-مکعبی از مولکول‌های آب دارد. اعتقاد بر این است که این یخ مسئول هاله Scheiner است، که یک اثر نوری بسیار نادر است که یک حلقه نور در اطراف خورشید در حدود 28 درجه ایجاد می کند. این بر خلاف هاله معمولی 22 درجه است که در اثر شکست از طریق بلورهای یخ شش ضلعی ایجاد می شود. این تیم یخ مکعبی را روی یک صفحه یخ زده ساخته شده از گرافن تک لایه ایجاد کردند و تشکیل آن را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری برودتی کنترل کردند. روش آنها می تواند برای مطالعه چگونگی شکل گیری انواع یخ بر روی سطوح مفید باشد.

یکی از موفقیت‌های فیزیک قرن بیستم، نظریه ابررسانایی BCS است که در دهه 20 برای توضیح اینکه چرا برخی از مواد در دماهای بسیار پایین مقاومت الکتریکی صفر دارند، توسعه یافت. ایده این است که الکترون‌های موجود در این ابررساناها برای ایجاد بوزون جفت می‌شوند. سپس این "جفت های کوپر" می توانند متراکم شوند و ماده ای ابر سیال مانند را تشکیل دهند که می تواند بدون مقاومت جریان یابد. در حالی که شواهد غیرمستقیم برای وجود جفت‌های کوپر وجود دارد، فیزیکدانان هنوز همبستگی منفی بین اسپین‌های الکترون‌ها را در یک جفت اندازه‌گیری نکرده‌اند - که می‌تواند شواهد مستقیمی برای وجود یک جفت باشد. اکنون، فیزیکدانان در سوئیس و ایتالیا به رهبری آروناو بوردولوی در دانشگاه بازل از دو نقطه کوانتومی برای استخراج جفت‌های کوپر از یک قطعه کوچک ابررسانا استفاده کرده‌اند. آنها سپس جفت ها را تقسیم کردند و قطبش اسپین آنها را اندازه گرفتند و دریافتند که آنها معمولاً در جهت مخالف هستند - درست همانطور که توسط نظریه BCS پیش بینی شده است.

دهه‌ها پیش، زمانی که من در دانشگاه بودم، فراکتال‌ها بسیار خشمگین بودند - تا حدی به دلیل تجسم‌های باکیفیت ایجاد شده توسط بنوا ماندلبروت. بنابراین، من همیشه علاقه مند هستم که آنها امروز در تحقیقات ظاهر شوند. در ماه فوریه، کلودیو کاستلنوو در دانشگاه کمبریج و همکارانش در بریتانیا، آلمان، ایالات متحده و آرژانتین نشان دادند که نوع جدیدی از فراکتال در کمین یک یخ چرخشی است. یخ‌های اسپین موادی هستند که دارای گشتاورهای مغناطیسی هستند که به دلیل اینکه نمی‌توانند در دمای پایین در یک پیکربندی دوره‌ای قرار گیرند، ناامید هستند. در عوض، لحظات با درجه ای از بی نظمی مشابه آنچه در یخ آب وجود دارد، منجمد می شوند. در سال 2009، فیزیکدانان استدلال کردند که تحریکات در برخی یخ های چرخشی مانند تک قطبی های مغناطیسی عمل می کنند. اکنون، Castelnovo و همکارانش نشان داده‌اند که این تک قطبی‌ها به جای اینکه آزادانه در سه‌بعدی حرکت کنند، در دنیای فراکتالی از مسیرهای همیشه منشعب حرکت می‌کنند. یکی از اعضای تیم می‌گوید مطالعه تک‌قطبی‌ها در یخ‌های چرخشی می‌تواند برای بسیاری از کاربردها مهم باشد  جاناتان نیلسون هالن که در کمبریج و درسدن مستقر است. او می‌گوید: «یخ‌های چرخشی یکی از در دسترس‌ترین نمونه‌های آهن‌رباهای توپولوژیکی هستند و تک قطبی‌های مغناطیسی در یخ‌های اسپین یکی از بهترین نمونه‌های قابل درک از برانگیختگی‌های کسری هستند».

خز سفید خرس قطبی در مناظر برفی قطب شمال استتار می کند. با این حال، ممکن است فکر کنید که یک کت سفید برای گرم کردن خرس‌ها در زیر نور آفتاب کار بدی انجام می‌دهد. اینطور نیست زیرا خز خرس قطبی برای هدایت نور خورشید به پوست تیره خرس طراحی شده است، جایی که به طور موثر جذب می شود. علاوه بر این، خز در به دام انداختن گرمای تابش شده از پوست خرس بسیار خوب است - اساساً یک اثر گلخانه ای ایجاد می کند. اکنون،  تریشا اندرو و همکارانش در دانشگاه ماساچوست آمهرست پارچه دولایه جدیدی با الهام از خرس های قطبی ساخته اند که انرژی خورشید و نور داخلی را جذب می کند و آن را برای حفظ گرما به دام می اندازد. هنگامی که در معرض شدت نور 130 W/m قرار می‌گیرید² (یک روز کسل کننده وسط زمستان در انگلستان) پوشنده خود را به همان اندازه که پارچه پنبه ای گرم می کند - اما در دمایی که 10 درجه سانتی گراد سردتر است و 30 درصد وزن کمتری دارد، گرم نگه می دارد. اندرو می‌گوید: «پارچه خرس قطبی ما می‌تواند برای مدیریت گرمایش فضا، که مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کند، به شیوه‌ای کارآمدتر، با گرم کردن افراد در داخل خانه با استفاده از نور محیط به جای گرمایش اتاق، بسیار مفید باشد.»

ما در اینجا عاشق یک شبه ذره هستیم دنیای فیزیکبنابراین ما خوشحال شدیم که در سال 2023 فیزیکدانان سرانجام "دیو کاج" را کشف کردند. اولین بار در سال 1952 توسط دیوید پاینز و دیوید بوهم، این شبه ذره یک نوسان چگالی الکترونی کوانتیزه شده در پلاسما است. شبه ذره زمانی تشکیل می شود که الکترون ها در باندهای مختلف یک فلز از فاز یکدیگر خارج شوند به طوری که بار کلی را ثابت نگه دارند. در واقع، دیو حرکت جمعی شبه ذرات خنثی است – و دیو نیز بدون جرم است و قادر به تعامل با نور نیست. همه اینها تشخیص شبه ذرات را بسیار دشوار می کند. اکنون،  پیتر آبامونته از دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign (UIUC) در ایالات متحده، و همکارانش شواهدی را برای وجود دیو با استفاده از تکنیکی به نام طیف‌سنجی از دست دادن انرژی الکترون برای شناسایی تحریک مرتبط با دیو کاج در تک بلورهای استرانسیوم روتنات پیدا کرده‌اند.

به نظر می رسد که انسان ها رابطه عشق و نفرت با بتن دارند. عملی بودن مواد زیربنای بسیاری از محیط های ساخته شده است، با این حال ما ظاهر گاه وحشیانه آن و مقادیر زیادی دی اکسید کربن منتشر شده در طول تولید آن را محکوم می کنیم. اکنون، تیمی در ایالات متحده به رهبری MIT  فرانتس یوزف اولم, ادمیر ماسیچ و شاخ یانگ شائو نوعی بتن ساخته اند که می تواند برای ایجاد ابرخازن برای ذخیره انرژی استفاده شود. تولید با مخلوط خشک کربن سیاه و سیمان آغاز می شود که به آن آب و فوق روان کننده ها اضافه می شود. همانطور که ماده جامد می شود، شبکه ای فراکتال مانند از منافذ ایجاد می کند که ماده را به هادی با سطح بسیار بزرگ تبدیل می کند. این دقیقاً همان چیزی است که شما برای الکترودهای یک خازن می خواهید، جایی که هر چه مساحت سطح بیشتر باشد، ظرفیت خازنی بیشتر است. به گفته این تیم، یک خازن بتنی به اندازه یک مکعب 3.55 متری می تواند حدود 10 کیلووات ساعت انرژی ذخیره کند. بنابراین، خانه‌ای که با پایه‌های حاوی این خازن‌ها ساخته می‌شود، می‌تواند انرژی یک روزه را ذخیره کند - برای مثال توسط پنل‌های خورشیدی تولید می‌شود - و در صورت نیاز آن را آزاد می‌کند. این ماده همچنین می تواند در پایه یک توربین بادی استفاده شود، جایی که می تواند انرژی مازاد را تا زمانی که مورد نیاز باشد ذخیره کند. این فناوری همچنین می تواند برای ذخیره انرژی های تجدیدپذیر در زیرساخت هایی مانند جاده ها و پارکینگ ها مورد استفاده قرار گیرد، جایی که انرژی می تواند از طریق القایی به وسایل نقلیه منتقل شود.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/