Skarbnica dla ekspertów w dziedzinie nanotechnologii

Anonim

Zespół z EPFL i NCCR Marvel zidentyfikował ponad 1000 materiałów o szczególnie interesującej strukturze 2D. Ich badania, opublikowane w Nature Nanotechnlogy, torują drogę do przełomowych zastosowań technologicznych.

Materiały 2-D, które składają się z kilku warstw atomów, są uważane za przyszłość nanotechnologii. Oferują one potencjalne nowe aplikacje i mogą być stosowane w małych, wydajnych i bardziej energooszczędnych urządzeniach. Materiały dwuwymiarowe odkryto po raz pierwszy prawie 15 lat temu, ale do tej pory zsyntetyzowano tylko kilkadziesiąt z nich. Teraz dzięki podejściu opracowanemu przez naukowców z Laboratorium Teorii i Symulacji Materiałów EPFL (THEOS) oraz od NCCR-MARVEL w zakresie projektowania obliczeniowego i odkrywania nowych materiałów, można zidentyfikować dużo bardziej obiecujące materiały 2D. Ich praca została niedawno opublikowana w czasopiśmie Nature Nanotechnology.

Pierwszym wyizolowanym materiałem 2-D był grafen, który w 2004 r. Przyniósł laureatom nagrodę Nobla w 2010 r. Oznaczało to początek zupełnie nowej ery w elektronice, ponieważ grafen jest lekki, przezroczysty i sprężysty, a przede wszystkim dobry przewodnik elektryczności. To otworzyło drogę do nowych zastosowań w takich dziedzinach, jak fotowoltaika i optoelektronika. "Aby znaleźć inne materiały o podobnych właściwościach, skupiliśmy się na możliwościach eksfoliacji" - wyjaśnia Nicolas Mounet, badacz z laboratorium THEOS i główny autor badania. "Zamiast umieszczać paski klejące na graficie, aby zobaczyć, czy warstwy złuszczają się, tak jak zrobili to zwycięzcy Nagrody Nobla, użyliśmy metody cyfrowej".

Naukowcy opracowali algorytm do przeglądu i starannej analizy struktury ponad 100 000 materiałów trójwymiarowych zarejestrowanych w zewnętrznych bazach danych. Z tego powodu stworzyli bazę około 5600 potencjalnych materiałów 2-D, w tym ponad 1000 o szczególnie obiecujących właściwościach. Innymi słowy, stworzyli skarbnicę dla ekspertów w dziedzinie nanotechnologii.

Aby zbudować swoją bazę danych, badacze zastosowali krok po kroku proces eliminacji. Najpierw zidentyfikowali wszystkie materiały, które składają się z oddzielnych warstw. "Następnie zbadaliśmy chemię tych materiałów bardziej szczegółowo i obliczyliśmy energię potrzebną do oddzielenia warstw, koncentrując się przede wszystkim na materiałach, w których interakcje między atomami różnych warstw są słabe, co jest znane jako wiązanie Van der Waalsa", mówi Marco Gibertini, badacz z THEOS i drugi autor badania.

Z 5600 początkowo zidentyfikowanych materiałów, naukowcy wyodrębnili 1800 struktur, które potencjalnie mogą być złuszczane, w tym 1036, które wyglądały na szczególnie łatwe do złuszczania. Oznacza to znaczny wzrost liczby znanych obecnie 2-D materiałów. Następnie wybrano 258 najbardziej obiecujących materiałów, kategoryzując je według ich właściwości magnetycznych, elektronicznych, mechanicznych, termicznych i topologicznych.

"Nasze badanie pokazuje, że techniki cyfrowe mogą naprawdę pobudzać odkrycia nowych materiałów" - mówi Nicola Marzari, dyrektor NCCR-MARVEL i profesor w THEOS. "W przeszłości chemicy musieli zaczynać od zera i ciągle próbować różnych rzeczy, co wymagało godzin pracy w laboratorium i pewnego szczęścia." Dzięki naszemu podejściu możemy uniknąć tego długiego, frustrującego procesu, ponieważ mamy narzędzie, które może wyodrębnić materiały, które warto pogłębić, pozwalając nam prowadzić bardziej ukierunkowane badania. "

Możliwe jest również odtworzenie obliczeń naukowców dzięki oprogramowaniu AiiDA, które opisuje proces obliczania każdego materiału odkrytego w formie przepływów pracy i przechowuje pełną proweniencję każdego etapu obliczeń. "Bez AiiDy bardzo trudno byłoby łączyć i przetwarzać różne typy danych" - wyjaśnia Giovanni Pizzi, starszy pracownik badawczy w THEOS i współautor badania. "Nasze przepływy pracy są dostępne publicznie, więc każdy na świecie może odtworzyć nasze obliczenia i zastosować je do dowolnego materiału, aby dowiedzieć się, czy można go eksfoliować."

menu
menu