Smart simuleringsskema hjælper med at identificere de mest lovende sammensætninger af todimensionelle materialer

En high-throughput scanning af mulige sammensætninger til en ny klasse af materialer kendt som MXenes giver forskere uvurderlig retning for at vælge den bedste kandidat fra de millioner af mulige materialeopskrifter. Simuleringsundersøgelsen af ​​forskere fra A*STAR Institute of High Performance Computing er et betydeligt fremskridt inden for MXenes-området, som har spændende potentiale i næste generations energilagringsapplikationer.

Todimensionelle (2-D) materialer er en relativt ny klasse af materialer, der viser en bred vifte af usædvanlige egenskaber forbundet med deres evne til at begrænse bevægelsen af ​​elektroner og energi i et 2-D-plan. MXene-legeringerne er en meget nyligt opdaget klasse af 2-D materialer, som kunne tænkes at bestå af en hvilken som helst af millioner af mulige arrangementer af overgangsmetaller (som molybdæn eller titanium), kulstof og nitrogen. Disse karakteristika afspejles i navnet 'MXene' - 'M'et' repræsenterer metalatomer, 'X' angiver kulstof og nitrogen, mens 'ene'-suffikset signalerer materialernes 2-D atomare struktur.

"Da MXenes er nye, der er stadig meget at lære om deres struktur og egenskaber, " siger Teck Leong Tan fra A*STAR. "Da MXene-legeringer dannes ved at blande forskellige typer overgangselementer i forskellige sammensætninger, legeringsmulighederne i MXenes er enorme. Så vi udviklede en high-throughput beregningsmetode til at forudsige de sandsynlige strukturer og stabile faser af forskellige MXene-legeringer på tværs af alle sammensætningsområder og temperaturer."

Selvom der er mange mulige MXene-legeringssammensætninger, de fleste vil ikke være stabile. Udfordringen for materialeforskere har været, hvordan man effektivt kan gennemse det enorme antal legeringskonfigurationer for at identificere dem med den laveste formationsenergi og dermed den højeste stabilitet. Konventionelle "første principper"-beregningsmetoder er for beregningsintensive til, at en sådan scanning er gennemførlig.

"Vores tilgang bruger det, der kaldes en klyngeudvidelsesmetode til at 'lære' de effektive interaktioner mellem atomer, hvilket muliggør hurtig evaluering af dannelsesenergierne af millioner af MXene-legeringsstrukturer, " siger Tan.

scanningen, udført i samarbejde med Drexel University i USA, afslørede, at molybdæn-baserede MXener blandet med vanadium, tantal, niobium eller titanium, synes at danne de mest stabile ordnede strukturer. Titanium har dog en tendens til at danne stabile 'asymmetriske' ordnede strukturer, som tidligere ikke blev anset for levedygtige.

"Vores scanning giver os mulighed for at forudsige strukturerne af MXene-legeringer, der endnu ikke er fremstillet, og estimere sandsynligheden for deres fremstilling ud fra et termodynamisk synspunkt. Og for kendte MXene-legeringer, vores forudsagte strukturer er i overensstemmelse med eksperimentelle resultater."