Hay muchos físicos trabajando en materiales y cada año esperamos escribir sobre algunas de las investigaciones más interesantes en este campo. Este año no fue la excepción y estas son algunas de nuestras historias de materiales favoritas de 2023.

En una era en la que se idean nuevos materiales utilizando inteligencia artificial, me reconforta que también estemos en medio de un resurgimiento del interés por la madera. Seguramente es uno de los materiales más antiguos utilizados por los humanos y hoy en día investigadores de todo el mundo están desarrollando nuevas formas de utilizar este recurso renovable para crear materiales interesantes. Ahora, isak engquist of Laboratorio de Electrónica Orgánica de la Universidad de Linköping y sus colegas en Suecia han construido un transistor a partir de una tabla de madera. Lo hicieron incorporando polímeros conductores de electricidad en todo el material de una manera que crea espacio para un electrolito iónicamente conductor. Su nueva técnica de fabricación permite utilizar la madera como plantilla para numerosos componentes electrónicos, pero el equipo admite que los transistores de madera no llegarían ni cerca del rendimiento de los dispositivos convencionales. Una posible aplicación podría ser la integración de la electrónica en plantas vivas, pero aunque hay pocos usos prácticos para un transistor de madera, sigue siendo un buen truco.

Al igual que la madera, el agua es un material omnipresente con propiedades extraordinarias. A diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua sólida es menos densa que el agua líquida, lo que hace posible la vida acuática en vastas zonas de la Tierra donde las temperaturas caen regularmente por debajo de los 0 °C. Se sabe que el hielo se presenta en al menos 20 estructuras cristalinas diferentes. Ahora, investigadores en China dirigidos por Lifen Wang y Xuedong Bai del Laboratorio Nacional de Beijing de Física de la Materia Condensada y del Laboratorio de materiales del lago Songshan En Dongguan son los primeros en confirmar la existencia de hielo cúbico, que tiene una estructura cúbica de diamante de moléculas de agua. Se cree que este hielo es responsable del halo de Scheiner, que es un efecto óptico extremadamente raro que crea un anillo de luz alrededor del Sol a unos 28°. Esto es diferente al habitual halo de 22° causado por la refracción a través de cristales de hielo hexagonales. El equipo creó hielo cúbico en una placa congelada hecha de grafeno monocapa y monitoreó su formación mediante microscopía electrónica de transmisión criogénica. Su técnica podría resultar útil para estudiar cómo se forma hielo de todo tipo en las superficies.

Uno de los triunfos de la física del siglo XX es la teoría BCS de la superconductividad, que se desarrolló en la década de 20 para explicar por qué algunos materiales tienen resistencia eléctrica cero a temperaturas muy bajas. La idea es que los electrones de estos superconductores se emparejen para crear bosones. Estos “pares de Cooper” pueden luego condensarse para formar una sustancia similar a un superfluido que puede fluir sin resistencia. Si bien existe evidencia indirecta de la existencia de pares de Cooper, los físicos aún tenían que medir una correlación negativa entre los espines de los electrones de un par, lo que sería una evidencia directa de la existencia de un par. Ahora, físicos de Suiza e Italia liderados por Arunav Bordoloi Los investigadores de la Universidad de Basilea han utilizado dos puntos cuánticos para extraer pares de Cooper de un pequeño trozo de superconductor. Luego dividieron los pares y midieron sus polarizaciones de espín, descubriendo que generalmente apuntaban en direcciones opuestas, tal como lo predijo la teoría BCS.

Hace décadas, cuando estaba en la universidad, los fractales estaban de moda, en parte debido a las visualizaciones de alta calidad creadas por Benoit Mandelbrot. Por eso, siempre me interesa cuando aparecen en la investigación actual. En febrero, claudio castelnovo en la Universidad de Cambridge y colegas en el Reino Unido, Alemania, Estados Unidos y Argentina demostraron que un nuevo tipo de fractal acecha en una espín de hielo. Los hielos giratorios son materiales con momentos magnéticos que se ven frustrados porque no pueden asentarse en una configuración periódica a bajas temperaturas. En cambio, los momentos se congelan con un grado de desorden similar al que se encuentra en el agua helada. En 2009, los físicos argumentaron que las excitaciones en algunos hielos de espín se comportan como monopolos magnéticos. Ahora, Castelnovo y sus colegas han demostrado que estos monopolos se mueven en un mundo fractal de trayectorias cada vez más ramificadas, en lugar de moverse libremente en 3D. El estudio de los monopolos en los hielos giratorios podría ser importante para una gran cantidad de aplicaciones, dice un miembro del equipo  Jonathan Nilsson Hallen que reside en Cambridge y Dresde. "Los hielos de espín son uno de los ejemplos más accesibles de imanes topológicos, y los monopolos magnéticos en los hielos de espín son uno de los ejemplos mejor comprendidos de excitaciones fraccionadas", dice.

El pelaje blanco del oso polar sirve de camuflaje en el paisaje nevado del Ártico. Sin embargo, se podría pensar que una bata blanca no haría bien en calentar a los osos bajo el sol. Este no es el caso porque el pelaje del oso polar está diseñado para canalizar la luz solar hacia la piel oscura del oso, donde se absorbe eficientemente. Es más, el pelaje es muy bueno para atrapar el calor irradiado por la piel del oso, creando esencialmente un efecto invernadero. Ahora,  Trisha Andrés y colegas de la Universidad de Massachusetts Amherst han creado una nueva tela de doble capa inspirada en los osos polares que absorbe la energía del sol y la iluminación interior y la atrapa para mantener el calor. Cuando se expone a una intensidad de luz de 130 W/m² (un aburrido día de invierno en Inglaterra) mantiene a quien lo lleva tan abrigado como lo haría una tela de algodón, pero a temperaturas 10 °C más frías y pesa un 30 % menos. "Nuestra tela de oso polar podría ser muy útil para gestionar la calefacción de espacios, que consume enormes cantidades de energía, de una manera más eficiente, al calentar a las personas en el interior utilizando iluminación ambiental en lugar de calefacción", dice Andrew.

Nos encantan las cuasipartículas aquí en Mundo de la física, por lo que nos alegró mucho que en 2023 los físicos detectaran por fin al “demonio de los pinos”. Predicho por primera vez en 1952 por david pinos y David Bohm, esta cuasipartícula es una fluctuación cuantificada de la densidad de electrones en un plasma. La cuasipartícula se forma cuando los electrones en diferentes bandas de un metal se desfasan entre sí de modo que mantienen estática la carga general. En efecto, un demonio es el movimiento colectivo de cuasipartículas neutras, y un demonio tampoco tiene masa y es incapaz de interactuar con la luz. Todo esto hace que las cuasipartículas sean muy difíciles de detectar. Ahora,  Pedro Abbamonte de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign (UIUC) en EE. UU., y sus colegas han encontrado evidencia del demonio utilizando una técnica llamada espectroscopia de pérdida de energía electrónica para identificar una excitación asociada con el demonio de Pines en monocristales de rutenato de estroncio.

Los humanos parecen tener una relación de amor y odio con el hormigón. La practicidad del material sustenta gran parte del entorno construido, pero denunciamos su apariencia a veces brutal y las enormes cantidades de dióxido de carbono emitidas durante su producción. Ahora, un equipo en EE.UU. liderado por el MIT  Francisco José Ulm, admirar masic y Cuerno de Yang-Shao han desarrollado un tipo de hormigón que se puede utilizar para crear supercondensadores para almacenar energía. La producción comienza con una mezcla seca de negro de humo y cemento, a la que se le añade agua y superplastificantes. A medida que el material se solidifica, crea una red de poros similar a un fractal que convierte al material en un conductor con una superficie muy grande. Esto es exactamente lo que se desea para los electrodos de un condensador, donde cuanto mayor es la superficie, mayor es la capacitancia. Según el equipo, un condensador de hormigón del tamaño de un cubo de 3.55 m podría almacenar unos 10 kWh de energía. Por lo tanto, una casa construida con cimientos que contengan estos condensadores podría almacenar la energía de un día (producida por paneles solares, por ejemplo) y liberarla cuando sea necesario. El material también podría usarse en la base de una turbina eólica, donde podría almacenar el excedente de energía hasta que sea necesario. La tecnología también podría utilizarse para almacenar energía renovable en infraestructuras como carreteras y aparcamientos, donde la energía podría transferirse por inducción a los vehículos.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/materials-physics-highlights-of-2023/