Ett team från EPFL och NCCR Marvel har identifierat mer än 1, 000 material med en särskilt intressant 2-D-struktur. Deras forskning, publicerad i Natur Nanoteknologi , banar väg för banbrytande tekniska tillämpningar.

2-D material, som består av några lager atomer, anses vara nanoteknologins framtid. De erbjuder potentiella nya applikationer och kan användas i små, högre prestanda och mer energieffektiva enheter. Tvådimensionella material upptäcktes först för nästan 15 år sedan, men bara några få dussin av dem har syntetiserats hittills. Nu, tack vare ett tillvägagångssätt som utvecklats av forskare från EPFL:s Theory and Simulation of Materials Laboratory (THEOS) och från NCCR-MARVEL för beräkningsdesign och upptäckt av nya material, många fler lovande 2-D-material kan identifieras. Deras arbete publicerades nyligen i tidningen Naturnanoteknik .

Det första 2-D-materialet som isolerades var grafen, år 2004, tjäna sina upptäckare ett Nobelpris 2010. Detta markerade starten på en helt ny era inom elektronik, som grafen är lätt, transparent och fjädrande och, framför allt, en bra ledare för el. Det banade väg för nya applikationer inom områden som solceller och optoelektronik. "För att hitta andra material med liknande egenskaper, vi fokuserade på genomförbarheten av peeling, "förklarar Nicolas Mounet, en forskare i THEOS -labbet och huvudförfattare till studien. "Men istället för att lägga limremsor på grafit för att se om lagren skalas av, som Nobelprisvinnarna gjorde, vi använde en digital metod. "

Forskarna utvecklade en algoritm för att granska och noggrant analysera strukturen på mer än 100, 000 3D-material som spelats in i externa databaser. Från detta, de skapade en databas med cirka 5, 600 potentiella 2-D-material, inklusive mer än 1, 000 med särskilt lovande fastigheter. Med andra ord, de har skapat en skattkista för experter på nanoteknik.

För att bygga sin databas, forskarna använde en steg-för-steg-eliminationsprocess. Först, de identifierade allt material som består av separata lager. "Vi studerade sedan kemiens material mer detaljerat och beräknade den energi som skulle behövas för att separera skikten, fokuserar främst på material där interaktioner mellan atomer i olika lager är svaga, något som kallas Van der Waals bonding, "säger Marco Gibertini, en forskare vid THEOS och den andra författaren till studien.

Av de 5, 600 material identifierades initialt, forskarna pekade ut 1, 800 strukturer som potentiellt kan exfolieras, inklusive 1, 036 som såg särskilt lätt ut att exfoliera. Detta representerar en avsevärd ökning av antalet möjliga 2-D-material som är kända idag. De valde sedan ut de 258 mest lovande materialen, kategorisera dem efter deras magnetiska, elektronisk, mekanisk, termiska och topologiska egenskaper.

"Vår studie visar att digital teknik verkligen kan öka upptäckten av nya material, säger Nicola Marzari, direktören för NCCR-MARVEL och en professor vid THEOS. "Förr, kemister var tvungna att börja om från början och bara fortsätta testa olika saker, som krävde timmar av labbet och en viss tur. Med vårt tillvägagångssätt, vi kan undvika så länge, frustrerande process eftersom vi har ett verktyg som kan särskilja material som är värda att studera vidare, så att vi kan utföra mer fokuserad forskning. "

Det är också möjligt att reproducera forskarnas beräkningar tack vare deras programvara AiiDA, som beskriver beräkningsprocessen för varje material som upptäcks i form av arbetsflöden och lagrar hela ursprunget för varje steg i beräkningen. "Utan AiiDA, det hade varit mycket svårt att kombinera och bearbeta olika typer av data, "förklarar Giovanni Pizzi, en senior forskare vid THEOS och medförfattare till studien. "Våra arbetsflöden är tillgängliga för allmänheten, så vem som helst i världen kan reproducera våra beräkningar och tillämpa dem på valfritt material för att ta reda på om det kan exfolieras. "