En ny matematisk modell hjälper till att förutsäga de små förändringarna i kolbaserade material som kan ge intressanta egenskaper.

Forskare vid Tohoku-universitetet och kollegor i Japan har utvecklat en matematisk modell som abstraherar nyckeleffekterna av förändringar i kolmaterialets geometrier och förutsäger dess unika egenskaper.

Detaljerna publicerades i tidskriften Kol .

Forskare använder i allmänhet matematiska modeller för att förutsäga de egenskaper som kan uppstå när ett material ändras på vissa sätt. Ändra geometrin för tredimensionell (3D) grafen, som är gjord av nätverk av kolatomer, genom att tillsätta kemikalier eller introducera topologiska defekter, kan förbättra dess katalytiska egenskaper, till exempel. Men det har varit svårt för forskare att förstå varför detta händer exakt.

Den nya matematiska modellen, kallas standardförverkligande med repulsiv interaktion (SRRI), avslöjar sambandet mellan dessa förändringar och de egenskaper som uppstår av dem. Den gör detta med mindre beräkningskraft än den typiska modellen som används för detta ändamål, kallad densitetsfunktionsteori (DFT), men det är mindre exakt.

Med SRRI-modellen, forskarna har förfinat en annan existerande modell genom att visa de attraktionskrafter och frånstötande krafter som finns mellan intilliggande atomer i kolbaserade material. SRRI-modellen tar också hänsyn till två typer av krökning i sådana material:lokala krökningar och medelkurvatur.

Forskarna, ledd av Tohoku Universitys matematiker Motoko Kotani, använde sin modell för att förutsäga de katalytiska egenskaper som skulle uppstå när lokala krökningar och dopämnen introducerades i 3D-grafen. Deras resultat liknade de som producerades av DFT-modellen.

"Noggrannheten i SRRI-modellen visade en kvalitativ överensstämmelse med DFT-beräkningar, och kan sålla igenom potentiellt material ungefär en miljard gånger snabbare än DFT, säger Kotani.

Teamet tillverkade sedan materialet och bestämde dess egenskaper med hjälp av skanning av elektrokemisk cellmikroskopi. Denna metod kan visa en direkt koppling mellan materialets geometri och dess katalytiska aktivitet. Det avslöjade att de katalytiskt aktiva platserna är på de lokala krökningarna.

"Vår matematiska modell kan användas som ett effektivt förscreeningsverktyg för att utforska nya 2D- och 3D-kolmaterial för unika egenskaper innan du använder DFT-modellering, " säger Kotani. "Detta visar vikten av matematik för att accelerera materialdesign."

Teamet planerar sedan att använda sin modell för att leta efter kopplingar mellan designen av ett material och dess mekaniska egenskaper och elektrontransportegenskaper.