En skattekiste for eksperter i nanoteknologi

Et team fra EPFL og NCCR Marvel har identificeret mere end 1, 000 materialer med en særlig interessant 2-D struktur. Deres forskning, udgivet i Natur Nanoteknologi , baner vejen for banebrydende teknologiske applikationer.

2-D materialer, som består af et par lag atomer, betragtes som fremtiden for nanoteknologi. De tilbyder potentielle nye applikationer og kan bruges i små, højere ydeevne og mere energieffektive enheder. To-dimensionelle materialer blev først opdaget for næsten 15 år siden, men kun et par dusin af dem er blevet syntetiseret indtil nu. Nu, takket være en tilgang udviklet af forskere fra EPFL's Theory and Simulation of Materials Laboratory (THEOS) og fra NCCR-MARVEL for Computational Design og Discovery of Novel Materials, mange mere lovende 2-D materialer kan identificeres. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

Det første isolerede 2-D-materiale var grafen, i 2004, tjene sine opdagere en nobelpris i 2010. Dette markerede starten på en helt ny æra inden for elektronik, da grafen er let, gennemsigtig og modstandsdygtig og først og fremmest, en god leder af elektricitet. Det banede vejen til nye applikationer inden for områder som fotovoltaik og optoelektronik. "For at finde andre materialer med lignende egenskaber, vi fokuserede på gennemførligheden af ​​eksfoliering, "forklarer Nicolas Mounet, en forsker i THEOS -laboratoriet og hovedforfatter af undersøgelsen. "Men i stedet for at placere klæbende strimler på grafit for at se, om lagene skrællede af, ligesom Nobelprisvinderne gjorde, vi brugte en digital metode. "

Forskerne udviklede en algoritme til at gennemgå og omhyggeligt analysere strukturen på mere end 100, 000 3D-materialer registreret i eksterne databaser. Fra dette, de oprettede en database på omkring 5, 600 potentielle 2-D materialer, herunder mere end 1, 000 med særligt lovende ejendomme. Med andre ord, de har skabt et skattekammer for eksperter i nanoteknologi.

For at bygge deres database, forskerne brugte en trinvis elimineringsproces. Først, de identificerede alle de materialer, der består af separate lag. "Derefter studerede vi disse materialers kemi mere detaljeret og beregnede den energi, der ville være nødvendig for at adskille lagene, fokuserer primært på materialer, hvor interaktioner mellem atomer i forskellige lag er svage, noget kendt som Van der Waals bonding, "siger Marco Gibertini, en forsker ved THEOS og anden forfatter af undersøgelsen.

Af de 5, 600 materialer oprindeligt identificeret, forskerne udpegede 1, 800 strukturer, der potentielt kan eksfolieres, herunder 1, 036, der så særligt let ud at eksfoliere. Dette repræsenterer en betydelig stigning i antallet af mulige 2-D materialer kendt i dag. De valgte derefter de 258 mest lovende materialer, kategoriserer dem efter deres magnetiske, elektronisk, mekanisk, termiske og topologiske egenskaber.

"Vores undersøgelse viser, at digitale teknikker virkelig kan øge opdagelsen af ​​nye materialer, "siger Nicola Marzari, direktøren for NCCR-MARVEL og en professor ved THEOS. "I fortiden, kemikere skulle starte forfra og bare blive ved med at prøve forskellige ting, hvilket krævede timers laboratoriearbejde og et vist held. Med vores tilgang, vi kan undgå så lang tid, frustrerende proces, fordi vi har et værktøj, der kan skille de materialer ud, der er værd at studere yderligere, giver os mulighed for at udføre mere fokuseret forskning. "

Det er også muligt at gengive forskernes beregninger takket være deres software AiiDA, som beskriver beregningsprocessen for hvert materiale opdaget i form af arbejdsgange og gemmer den fulde herkomst af hvert trin i beregningen. "Uden AiiDA, det ville have været meget svært at kombinere og behandle forskellige typer data, "forklarer Giovanni Pizzi, seniorforsker ved THEOS og medforfatter af undersøgelsen. "Vores arbejdsgange er tilgængelige for offentligheden, så alle i verden kan gengive vores beregninger og anvende dem på ethvert materiale for at finde ud af, om det kan eksfolieres. "