Un model computațional extinde studiul nanostructurilor dincolo de sistemele stratificate clasice
De la producerea grafenei în 2004, materialele bidimensionale au stârnit un interes științific și tehnologic crescut. Fiind groase de doar câteva straturi atomice, sau chiar de un singur strat atomic, acestea pot prezenta proprietăți electronice, magnetice sau chimice speciale, care le fac deosebit de interesante pentru aplicații precum electronica, cataliza și stocarea energiei.
Cele mai cunoscute exemple sunt formate din așa-numitele cristale van der Waals. Asemenea unei cărți, acestea sunt compuse din straturi individuale ținute împreună de forțe relativ slabe, ceea ce face relativ ușoară desprinderea straturilor individuale. În cristalele nestratificate, pe de altă parte, atomii formează o rețea tridimensională cu legături semnificativ mai puternice. Până în prezent, a fost dificil de prezis care dintre aceste solide ar putea fi separate în straturi stabile.
„Având în vedere că această clasă de materiale este încă atât de tânără, selectarea materialelor potrivite pentru experimente se baza adesea pe experiență și intuiție”, explică dr. Rico Friedrich de la Institutul de Fizica Ionilor și Cercetarea Materialelor al HZDR și de la TU Dresden. „Cu ajutorul metodei noastre universale, putem determina acum punctele în care un cristal din orice material poate fi separat cel mai bine și dacă în acest proces se poate forma o structură bidimensională potențial stabilă.”
Rezistența legăturilor, nu doar distanțele
Nucleul noii abordări, publicată în Nature Communications, este Potențialul de Exfoliere și Clivaj, sau XCP, pe scurt. Modelul computațional folosește elementele chimice implicate și distanța dintre ele pentru a calcula precis rezistența legăturilor dintre atomii individuali. Doi algoritmi suplimentari caută apoi fie plane cristaline ușor separabile, fie elimină treptat cele mai slabe legături din model până când rămân substructuri bidimensionale. Astfel, metoda detectează și suprafețe de separare neuniforme la nivel atomic.
„Calcularea structurii electronice pentru fiecare suprafață imaginabilă ar fi incredibil de consumatoare de timp”, spune autorul principal, Tom Barnowsky. „Modelul nostru eficient, pe de altă parte, poate căuta în baze de date mari de materiale cu un efort computațional minim. Calcule detaliate sunt necesare doar pentru rezultatele deosebit de promițătoare.”
Teste extinse pe materiale bidimensionale deja produse experimental au arătat că metoda XCP poate determina în mod fiabil planele de exfoliere preferate. Ea este, de asemenea, disponibilă gratuit celor interesați ca instrument web.
Mii de structuri promițătoare
Echipa a aplicat metoda pe peste 24.000 de structuri cristaline nestratificate cunoscute dintr-una dintre cele mai mari baze de date experimentale de materiale. Dintre acestea, cercetătorii au ales 2.531 de candidați deosebit de promițători pentru calcule mai precise. În aceste materiale, compoziția chimică rămâne neschimbată la desprindere, în timp ce raporturile de legătură calculate favorizează puternic formarea unei structuri bidimensionale.
Investigații suplimentare au confirmat potențialul selecției: în majoritatea candidaților, echipa a calculat energii de exfoliere comparativ scăzute. Mai mult, multe dintre structuri s-au dovedit stabile atât dinamic, cât și termodinamic, o condiție de bază pentru aplicațiile tehnologice. Acum experimentele trebuie să demonstreze dacă și în ce condiții pot fi produse efectiv.
Materialele bidimensionale prezise diferă marcat de intrările existente în baza de date. Unele ar putea suferi chiar o schimbare fundamentală a proprietăților electronice în timpul tranziției la un strat subțire: printre altele, calculele prezic compuși în care cristalele tridimensionale acționează ca semiconductori, dar devin metalice în două dimensiuni. În altele, se creează un band gap direct, care ar putea fi interesant pentru dispozitivele optoelectronice. Candidații magnetici ar putea deschide, de asemenea, noi posibilități pentru spintronică în procesarea și stocarea datelor.
„Rezultatele noastre extind enorm orizontul materialelor bidimensionale”, rezumă Friedrich. „Metoda nu garantează că fiecare candidat poate fi produs în laborator. Dar arată care cristale merită cu adevărat efortul experimental.”
