Evolutionair zoeken heeft wetenschappers geholpen de laagste energiestructuur van een tweedimensionaal (2-D) materiaal te voorspellen, B ₂ P ₆ , met enkele opmerkelijke kenmerken, inclusief structurele anisotropie en Janus-geometrie.

Janus-materialen - genoemd naar de Griekse god met twee gezichten van de dualiteit - hebben twee oppervlakken met verschillende fysieke eigenschappen. Als zodanig, ze bieden unieke voordelen, zoals een hoog rendement van zonne-energie naar waterstof.

Anisotrope materialen vertonen verschillende eigenschappen wanneer ze in verschillende richtingen worden gemeten. In het geval van B ₂ P ₆ , de ionische diffusie is sterk anisotroop, een functie die mogelijk nuttig kan zijn in betaalbare oplossingen voor energieopslag, zoals metaal-ionbatterijen.

In tegenstelling tot antecedenten, zoals grafeen, een ander 2D-materiaal, dit nieuwe materiaal heeft een breed afstembare band gap waardoor het een betere kandidaat is voor gebruik in elektronische apparaten.

Udo Schwingenschlögl, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan KAUST, en Minglei Zon, een postdoc, voerde een gedetailleerde zoektocht uit naar de meest stabiele 2-D kristalstructuur van binaire verbindingen bestaande uit boor- en fosforatomen totdat ze bij B aankwamen ₂ P ₆ .

"We gebruikten state-of-the-art evolutionair zoeken en eerste-principes berekeningen om deze structuur te voorspellen, " zegt Zon.

Op basis van biologische evolutie, evolutionair zoeken is een computationele methode waarmee de wetenschappers kunnen zoeken naar een kristalstructuur binnen duizenden kandidaten. Met behulp van deze structuur als invoer in eerste-principes berekeningen, ze kunnen dan de fysische eigenschappen bepalen volgens de principes van de kwantumtheorie.

"De buitengewone eigenschappen van anisotropie en Janus-geometrie inspireerden ons om te zoeken naar een 2D-materiaal dat deze verdiensten combineert, " legt Sun uit. Deze combinatie zorgt voor nieuwe eigenschappen, en op zijn beurt, bredere toepassingen.

Bij vooronderzoek is B ₂ P ₆ toonde uitstekende belofte op het gebied van elektronica en voor toepassing in energieomzetting en -opslag.

Het nieuwe materiaal vertoont een sterke lichtabsorptie, waardoor het potentieel nuttig is bij de productie van schone brandstof door fotokatalytische watersplitsing - een proces waarbij natuurlijk of kunstlicht wordt gebruikt om waterstof uit water te produceren. Het is efficiënter dan traditionele fotokatalysatoren, voornamelijk vanwege de lage recombinatiesnelheid van fotogegenereerde dragers.

"Voor B ₂ P ₆ , de recombinatie van fotogegenereerde dragers wordt aanzienlijk onderdrukt door het intrinsieke elektrische veld dat wordt veroorzaakt door de Janus-structuur, " legt Sun uit. "Dat betekent dat meer fotogenereerde dragers zullen deelnemen aan de redoxreacties voor watersplitsing. De efficiëntie van het gebruik van carriers is maar liefst 45,1 procent."

Volgende, de onderzoekers zijn van plan om "meer anisotrope Janus 2-D-materialen met buitengewone eigenschappen te voorspellen en experimentele richtlijnen voor collega's te bieden, ' zegt Schwingenschlögl.