2D materiály, ktoré pozostávajú z niekoľkých vrstiev atómov, môžu byť budúcnosťou nanotechnológie. Ponúkajú potenciálne nové aplikácie a mohli by byť použité v malých, vyšších výkonoch a energeticky účinnejších zariadeniach. 2D materiály boli prvýkrát objavené takmer pred 15 rokmi, ale len niekoľko desiatok z nich bolo doposiaľ syntetizovaných.

Vďaka prístupu vyvinutému výskumníkmi z teórie EPFL Teória a simulácia materiálových laboratórií (THEOS) a NCCR-MARVEL pre výpočtový dizajn a diskusiu o nových materiáloch je teraz možné identifikovať mnoho ďalších sľubných 2D materiálov. Ich práca bola nedávno uverejnená v časopise Nature Nanotechnology, a dokonca aj na titulnej stránke.

Prvý 2D materiál, ktorý sa má izolovať, bol grafén v roku 2004, keď získal výskumníkov, ktorí v roku 2010 získali Nobelovu cenu. To znamenalo začiatok úplne novej éry v elektronike, pretože grafén je ľahký, transparentný a odolný a predovšetkým, dobrý vodič elektrickej energie. Vytvorila cestu pre nové aplikácie v mnohých oblastiach, ako napríklad fotovoltaika a optoelektronika.

"Na hľadanie ďalších materiálov s podobnými vlastnosťami sme sa zamerali na uskutočniteľnosť exfoliácie," vysvetľuje Nicolas Mounet, výskumník v laboratóriu THEOS a hlavný autor štúdie. "Ale namiesto umiestnenia lepiacich pásikov na grafit, aby sme zistili, či sa vrstvy odlúpali, ako to robili víťazia Nobelovej ceny, použili sme digitálnu metódu."

Viac ako 100 000 analyzovaných materiálov

Výskumníci vyvinuli algoritmus na preskúmanie a starostlivú analýzu štruktúry viac ako 100 000 3D materiálov zaznamenaných v externých databázach. Z toho vytvorili databázu približne 5 600 potenciálnych 2D materiálov vrátane viac ako 1000 s obzvlášť sľubnými vlastnosťami. Inými slovami, vytvorili pokladnicu pre odborníkov na nanotechnológie.

Na vybudovanie svojej databázy výskumníci použili postup eliminácie krok za krokom. Najprv identifikovali všetky materiály, ktoré tvoria jednotlivé vrstvy. "Potom sme podrobnejšie študovali chémiu týchto materiálov a vypočítali energiu, ktorá by bola potrebná na oddelenie vrstiev, zameriavajúc sa predovšetkým na materiály, kde sú interakcie medzi atómami rôznych vrstiev slabé, niečo známe ako spájanie Van der Waals," hovorí Marco Gibertini, výskumný pracovník v Theosu a druhý autor štúdie.

Množstvo 2D kandidátov

Z pôvodne identifikovaných 5 600 materiálov výskumníci vyzdvihli 1 800 štruktúr, ktoré by mohli byť exfoliované, vrátane 1,036, ktoré vyzerali veľmi ľahko na odlupovanie. To predstavuje výrazné zvýšenie počtu možných 2D materiálov, ktoré sú dnes známe. Potom vybrali 258 najsľubnejších materiálov a kategorizovali ich podľa ich magnetických, elektronických, mechanických, tepelných a topologických vlastností.

"Naša štúdia dokazuje, že digitálne techniky môžu skutočne podporiť objavy nových materiálov," hovorí Nicola Marzari, riaditeľka NCCR-MARVEL a profesorka v spoločnosti THEOS. "V minulosti museli chemici začať od začiatku a len skúšať rôzne veci, ktoré si vyžadovali hodiny laboratórnej práce a určitý počet šťastia. S naším prístupom sa môžeme vyhnúť tomuto dlhému frustrujúcemu procesu, pretože máme nástroj, vyzdvihnúť materiály, ktoré sa oplatí ďalej študovať, čo nám umožňuje uskutočňovať viac zameraný výskum. "

Je tiež možné reprodukovať výpočty výskumníkov vďaka softvéru AiiDA, ktorý opisuje výpočtový proces pre každý materiál objavený vo forme pracovných postupov a ukladá úplný pôvod každej etapy výpočtu. "Bez AiiDA by bolo veľmi ťažké kombinovať a spracovávať rôzne typy údajov," vysvetľuje Giovanni Pizzi, vedúci výskumník v spoločnosti THEOS a spoluautor štúdie.

"Naše pracovné postupy sú k dispozícii verejnosti, takže každý vo svete môže reprodukovať naše výpočty a aplikovať ich na akýkoľvek materiál, aby zistil, či môže byť exfoliovaný."

solardayly/