Een high-throughput scan van mogelijke composities voor een nieuwe klasse van materialen, bekend als MXenes, geeft onderzoekers onschatbare aanwijzingen voor het kiezen van de beste kandidaat uit de miljoenen mogelijke materiaalrecepten. De simulatiestudie door onderzoekers van het A*STAR Institute of High Performance Computing is een belangrijke vooruitgang op het gebied van MXenes, die een opwindend potentieel hebben in toepassingen voor energieopslag van de volgende generatie.

Tweedimensionale (2-D) materialen zijn een relatief nieuwe klasse van materialen die een breed scala aan ongebruikelijke eigenschappen vertonen die verband houden met hun vermogen om de beweging van elektronen en energie in een 2D-vlak te beperken. De MXene-legeringen zijn een zeer recent ontdekte klasse van 2D-materialen, die mogelijk bestaat uit een van de miljoenen mogelijke arrangementen van overgangsmetalen (zoals molybdeen of titanium), koolstof en stikstof. Deze kenmerken worden weerspiegeld in de naam 'MXene' - de 'M' staat voor metaalatomen, de 'X' staat voor koolstof en stikstof, terwijl het achtervoegsel 'ene' de 2-D atomaire structuur van de materialen aangeeft.

"Omdat MXenes nieuw zijn, er valt nog veel te leren over hun structuur en eigenschappen, ", zegt Teck Leong Tan van A*STAR. "Omdat MXene-legeringen worden gevormd door verschillende soorten overgangselementen in verschillende samenstellingen te mengen, de legeringsmogelijkheden in MXenes zijn enorm. Daarom hebben we een rekenmethode met hoge doorvoer ontwikkeld om de waarschijnlijke structuren en stabiele fasen van verschillende MXene-legeringen in alle samenstellingsbereiken en temperaturen te voorspellen."

Hoewel er veel mogelijke samenstellingen van MXene-legeringen zijn, de meeste zullen niet stabiel zijn. De uitdaging voor materiaalwetenschappers was hoe efficiënt door het enorme aantal legeringsconfiguraties te vegen om die met de laagste vormingsenergie en dus de hoogste stabiliteit te identificeren. Conventionele 'first principles'-berekeningsbenaderingen zijn te rekenintensief om een ​​dergelijke scan mogelijk te maken.

"Onze aanpak maakt gebruik van een zogenaamde clusterexpansiemethode om de effectieve interacties tussen atomen te 'leren', waardoor een snelle evaluatie van de vormingsenergieën van miljoenen MXene-legeringsstructuren mogelijk is, " zegt Tan.

de scan, uitgevoerd in samenwerking met Drexel University in de VS, onthulde dat op molybdeen gebaseerde MXenen gemengd met vanadium, tantaal, niobium of titanium, lijken de meest stabiele geordende structuren te vormen. Titanium heeft echter de neiging om stabiele 'asymmetrische' geordende structuren te vormen die voorheen niet als levensvatbaar werden beschouwd.

"Onze scan stelt ons in staat om de structuren van MXene-legeringen die nog moeten worden vervaardigd te voorspellen en de waarschijnlijkheid van hun fabricage vanuit een thermodynamisch oogpunt in te schatten. En voor bekende MXene-legeringen, onze voorspelde structuren komen overeen met experimentele resultaten."