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纳米技术宝库

导读 二维材料由几层原子组成,很可能是纳米技术的未来。它们提供了潜在的新应用,可用于小型,高性能和高能效的设备。2D材料大约在15年前首次发

二维材料由几层原子组成,很可能是纳米技术的未来。它们提供了潜在的新应用,可用于小型,高性能和高能效的设备。2D材料大约在15年前首次发现,但到目前为止只合成了几十种。现在,由于EPFL理论与模拟材料实验室(THEOS)和NCCR-MAR​​VEL研究人员为计算设计和发现新材料开发的方法,现在可以确定更多有前途的2D材料。他们的工作最近发表在Nature Nanotechnology杂志上,甚至在封面上也有提及。

纳米技术宝库

2004年,第一个被分离的二维材料是石墨烯,为2010年获得诺贝尔奖的研究人员赢得了收益。这标志着电子产品开启了一个全新的时代,因为石墨烯是轻质,透明和有弹性的,最重要的是,一个良好的电力导体。它为光伏和光电子等众多领域的新应用铺平了道路。

“为了寻找具有相似特性的其他材料,我们专注于去角质的可行性,”THEOS实验室的研究员,该研究的第一作者Nicolas Mounet解释说。“但是,与诺贝尔奖获得者一样,不是在石墨上贴上胶条,看看这些层是否剥落,我们采用的是数字方法。”

分析了100,000多种材料

研究人员开发了一种算法,用于审查和仔细分析外部数据库中记录的100,000多种3D材料的结构。由此,他们创建了一个包含大约5,600种潜在2D材料的数据库,其中包括1,000多种具有特别有前途的特性。换句话说,他们为纳米技术专家创造了一个宝库。

为了建立他们的数据库,研究人员使用了逐步消除的过程。首先,他们确定了由不同层组成的所有材料。“然后我们更详细地研究了这些材料的化学成分,并计算了分离各层所需的能量,主要集中在不同层原子之间相互作用较弱的材料,即Van der Waals键合,”Marco说。 Gibertini是THEOS的研究员,也是该研究的第二作者。

大量2D候选人

在最初确定的5,600种材料中,研究人员挑选了1,800种可能被剥落的结构,包括1,036种看起来特别容易去角质的结构。这代表了当今已知的可能2D材料数量的显着增加。然后他们选择了258种最有希望的材料,根据它们的磁性,电子,机械,热和拓扑性质对它们进行分类。

“我们的研究表明,数字技术可以真正促进新材料的发现,”NCCR-MAR​​VEL主任,THEOS教授Nicola Marzari说。“在过去,化学家不得不从头开始,只是继续尝试不同的东西,这需要几个小时的实验室工作和一定的运气。通过我们的方法,我们可以避免这个漫长而令人沮丧的过程,因为我们有一个工具,可以挑选出值得进一步研究的材料,让我们进行更有针对性的研究。“

由于他们的软件AiiDA可以重现研究人员的计算,AiiDA描述了以工作流程形式发现的每种材料的计算过程,并存储了计算每个阶段的完整来源。“如果没有AiiDA,组合和处理不同类型的数据将非常困难,”THEOS的高级研究员,该研究的共同作者Giovanni Pizzi解释道。“我们的工作流程向公众开放,因此世界上的任何人都可以重现我们的计算并将其应用于任何材料,以确定它是否可以剥落。”