Een team van EPFL en NCCR Marvel heeft meer dan 1 geïdentificeerd 000 materialen met een bijzonder interessante 2D-structuur. Hun onderzoek, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , maakt de weg vrij voor baanbrekende technologische toepassingen.

2D materialen, die uit een paar lagen atomen bestaan, worden beschouwd als de toekomst van nanotechnologie. Ze bieden potentiële nieuwe toepassingen en kunnen worden gebruikt in kleine, krachtigere en energiezuinigere apparaten. Tweedimensionale materialen werden bijna 15 jaar geleden voor het eerst ontdekt, maar tot dusver zijn er slechts enkele tientallen gesynthetiseerd. Nutsvoorzieningen, dankzij een aanpak ontwikkeld door onderzoekers van EPFL's Theory and Simulation of Materials Laboratory (THEOS) en van NCCR-MARVEL voor Computational Design and Discovery of Novel Materials, veel meer veelbelovende 2D-materialen kunnen worden geïdentificeerd. Hun werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Het eerste geïsoleerde 2D-materiaal was grafeen, in 2004, waarmee de ontdekkers in 2010 een Nobelprijs kregen. Dit markeerde het begin van een heel nieuw tijdperk in de elektronica, zoals grafeen licht is, transparant en veerkrachtig en, bovenal, een goede geleider van elektriciteit. Het effende de weg naar nieuwe toepassingen op gebieden als fotovoltaïsche en opto-elektronica. "Om andere materialen met vergelijkbare eigenschappen te vinden, we hebben ons gericht op de haalbaarheid van exfoliatie, " legt Nicolas Mounet uit, een onderzoeker in het THEOS-lab en hoofdauteur van de studie. "Maar in plaats van plakstrips op grafiet te plakken om te zien of de lagen loslieten, zoals de Nobelprijswinnaars deden, we gebruikten een digitale methode."

De onderzoekers ontwikkelden een algoritme om de structuur van meer dan 100, 000 3D-materialen vastgelegd in externe databases. Van dit, ze creëerden een database van ongeveer 5, 600 potentiële 2D-materialen, waaronder meer dan 1, 000 met bijzonder veelbelovende eigenschappen. Met andere woorden, ze hebben een schatkamer gecreëerd voor nanotechnologie-experts.

Om hun database op te bouwen, de onderzoekers gebruikten een stapsgewijs eliminatieproces. Eerst, ze identificeerden alle materialen die uit afzonderlijke lagen bestaan. "Vervolgens bestudeerden we de chemie van deze materialen in meer detail en berekenden we de energie die nodig zou zijn om de lagen te scheiden, voornamelijk gericht op materialen waar interacties tussen atomen van verschillende lagen zwak zijn, iets dat bekend staat als Van der Waals-binding, " zegt Marco Gibertini, een onderzoeker bij THEOS en de tweede auteur van de studie.

van de 5, 600 materialen aanvankelijk geïdentificeerd, de onderzoekers selecteerden er 1, 800 structuren die mogelijk kunnen worden geëxfolieerd, inclusief 1, 036 die er bijzonder gemakkelijk uitzag om te exfoliëren. Dit betekent een aanzienlijke toename van het aantal mogelijke 2D-materialen dat tegenwoordig bekend is. Vervolgens selecteerden ze de 258 meest veelbelovende materialen, categoriseren ze op basis van hun magnetische, elektronisch, mechanisch, thermische en topologische eigenschappen.

"Ons onderzoek toont aan dat digitale technieken ontdekkingen van nieuwe materialen echt kunnen stimuleren, " zegt Nicola Marzari, de directeur van NCCR-MARVEL en een professor aan THEOS. "Vroeger, scheikundigen moesten helemaal opnieuw beginnen en gewoon verschillende dingen blijven proberen, waarvoor uren labwerk en een zekere hoeveelheid geluk nodig waren. Met onze aanpak, we kunnen dit lang vermijden, frustrerend proces omdat we een tool hebben die de materialen kan selecteren die de moeite waard zijn om verder te bestuderen, waardoor we gerichter onderzoek kunnen doen."

Het is ook mogelijk om de berekeningen van de onderzoekers te reproduceren dankzij hun software AiiDA, die het berekeningsproces voor elk gevonden materiaal beschrijft in de vorm van workflows en de volledige herkomst van elke fase van de berekening opslaat. "Zonder AiiDA, het zou heel moeilijk zijn geweest om verschillende soorten gegevens te combineren en te verwerken, " legt Giovanni Pizza uit, een senior onderzoeker bij THEOS en co-auteur van de studie. "Onze workflows zijn beschikbaar voor het publiek, dus iedereen ter wereld kan onze berekeningen reproduceren en toepassen op elk materiaal om te zien of het kan worden geëxfolieerd."