En skanning med hög genomströmning av möjliga kompositioner för en ny klass av material som kallas MXenes ger forskare ovärderlig vägledning för att välja den bästa kandidaten bland de miljontals möjliga materialrecepten. Simuleringsstudien av forskare från A*STAR Institute of High Performance Computing är en betydande framsteg inom området MXenes, som har spännande potential i nästa generations energilagringsapplikationer.
Tvådimensionella (2-D) material är en relativt ny klass av material som uppvisar ett brett spektrum av ovanliga egenskaper som är förknippade med deras förmåga att begränsa rörelsen av elektroner och energi i ett 2-D-plan. MXene-legeringarna är en nyligen upptäckt klass av 2-D-material, som kan tänkas bestå av någon av miljontals möjliga arrangemang av övergångsmetaller (som molybden eller titan), kol och kväve. Dessa egenskaper återspeglas i namnet "MXene" - "M" representerar metallatomer, 'X' betecknar kol och kväve, medan "en" -tillägget signalerar materialens 2-D atomstruktur.
"Eftersom MXenes är nya, det finns fortfarande mycket att lära om deras struktur och egenskaper, "säger Teck Leong Tan från A*STAR." Eftersom MXene -legeringar bildas genom att blanda olika typer av övergångselement i olika kompositioner, legeringsmöjligheterna i MXenes är enorma. Så vi utvecklade en beräkningsmetod med hög genomströmning för att förutsäga de troliga strukturerna och de stabila faserna hos olika MXene-legeringar över alla sammansättningsområden och temperaturer. "
Även om det finns många möjliga MXene -legeringskompositioner, de flesta kommer inte att vara stabila. Utmaningen för materialvetare har varit hur man effektivt sveper igenom det stora antalet legeringskonfigurationer för att identifiera dem med lägst formationsenergi och därmed högsta stabilitet. Konventionella "första principer" beräkningsmetoder är för beräknande intensiva för att en sådan genomsökning ska vara genomförbar.
"Vårt tillvägagångssätt använder det som kallas en klusterexpansionsmetod för att" lära "de effektiva interaktionerna mellan atomer, vilket möjliggör en snabb utvärdering av formationsenergierna för miljontals MXene -legeringsstrukturer, säger Tan.
Skanningen, genomförs i samarbete med Drexel University i USA, avslöjade att molybdenbaserade MXener blandade med vanadin, tantal, niob eller titan, verkar bilda de mest stabila ordnade strukturerna. Titan tenderar dock att bilda stabila "asymmetriska" ordnade strukturer som tidigare inte ansågs livskraftiga.
"Vår skanning gör att vi kan förutsäga strukturerna i MXene -legeringar som ännu inte ska tillverkas och uppskatta sannolikheten för deras tillverkning utifrån en termodynamisk synvinkel. Och för kända MXene -legeringar, våra förutsagda strukturer överensstämmer med experimentella resultat. "
