Een nieuw wiskundig model helpt bij het voorspellen van de kleine veranderingen in op koolstof gebaseerde materialen die interessante eigenschappen kunnen opleveren.

Wetenschappers van Tohoku University en collega's in Japan hebben een wiskundig model ontwikkeld dat de belangrijkste effecten van veranderingen in de geometrieën van koolstofmateriaal abstraheert en de unieke eigenschappen ervan voorspelt.

De details zijn gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof .

Wetenschappers gebruiken over het algemeen wiskundige modellen om de eigenschappen te voorspellen die kunnen ontstaan ​​wanneer een materiaal op bepaalde manieren wordt gewijzigd. De geometrie van driedimensionaal (3D) grafeen veranderen, die is gemaakt van netwerken van koolstofatomen, door chemicaliën toe te voegen of topologische defecten te introduceren, kan zijn katalytische eigenschappen verbeteren, bijvoorbeeld. Maar het is voor wetenschappers moeilijk te begrijpen waarom dit precies gebeurt.

Het nieuwe wiskundige model, zogenaamde standaard realisatie met afstotende interactie (SRRI), onthult de relatie tussen deze veranderingen en de eigenschappen die eruit voortvloeien. Het doet dit met minder rekenkracht dan het typische model dat voor dit doel wordt gebruikt, genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), maar het is minder nauwkeurig.

Met het SRRI-model de wetenschappers hebben een ander bestaand model verfijnd door de aantrekkelijke en afstotende krachten te laten zien die bestaan ​​tussen aangrenzende atomen in op koolstof gebaseerde materialen. Het SRRI-model houdt ook rekening met twee soorten krommingen in dergelijke materialen:lokale krommingen en gemiddelde kromming.

De onderzoekers, onder leiding van de wiskundige Motoko Kotani van de Tohoku University, gebruikten hun model om de katalytische eigenschappen te voorspellen die zouden ontstaan ​​wanneer lokale krommingen en doteermiddelen in 3D-grafeen zouden worden geïntroduceerd. Hun resultaten waren vergelijkbaar met die van het DFT-model.

"De nauwkeurigheid van het SRRI-model toonde een kwalitatieve overeenkomst met DFT-berekeningen, en kan ongeveer een miljard keer sneller door potentiële materialen heen bladeren dan DFT, ' zegt Kotani.

Het team fabriceerde vervolgens het materiaal en bepaalde de eigenschappen ervan met behulp van scanning elektrochemische celmicroscopie. Deze methode kan een direct verband aantonen tussen de geometrie van het materiaal en de katalytische activiteit ervan. Het onthulde dat de katalytisch actieve plaatsen zich op de lokale krommingen bevinden.

"Ons wiskundig model kan worden gebruikt als een effectief hulpmiddel voor pre-screening voor het verkennen van nieuwe 2D- en 3D-koolstofmaterialen voor unieke eigenschappen voordat DFT-modellering wordt toegepast, ", zegt Kotani. "Dit toont het belang van wiskunde aan bij het versnellen van materiaalontwerp."

Het team is van plan om hun model vervolgens te gebruiken om verbanden te zoeken tussen het ontwerp van een materiaal en de mechanische en elektronentransporteigenschappen.