Поиск новых материалов с полезными свойствами — основная задача учёных, работающих в области материаловедения, и это имеет решающее значение для развития технологий. Одним из перспективных направлений современных исследований являются 2D-материалы — сверхтонкие вещества, состоящие всего из нескольких слоёв атомов, которые могут стать основой для электронных устройств нового поколения.
В новом исследовании учёные из Университета штата Мэриленд в Балтиморе (UMBC) разработали новый способ прогнозирования 2D-материалов, которые могут изменить электронику. Результаты были опубликованы в журнале Chemistry of Materials 7 июля.
Что такое 2D-материалы?
Представьте себе лист бумаги, толщина которого составляет всего несколько атомов. Именно такими и являются 2D-материалы. Они могут быть невероятно прочными или проводить электричество уникальным образом. Они удерживаются вместе слабыми силами, называемыми ван-дер-ваальсовыми связями, которые позволяют материалам слегка деформироваться, не разрушаясь под нагрузкой.
Слоистые структуры из этих 2D-материалов могут скользить друг по другу, что ещё больше снижает хрупкость.
Исследование
Исследовательская группа под руководством Пэн Яна, кандидата химических наук в UMBC, и Джозефа Беннетта, доцента кафедры химии и биохимии в UMBC, сосредоточилась на типе 2D-материалов, называемых ван-дер-ваальсовыми слоистыми фосфохалькогенидами. Некоторые из этих материалов являются сегнетоэлектрическими, то есть они могут удерживать электрический заряд в определённом направлении, и это направление можно изменить по команде — как будто это крошечные, обратимые батареи.
«Известно только два 2D-ван-дер-ваальсовых сегнетоэлектрических материала с такой структурой, — сказал Беннетт, — поэтому мы задавались вопросом: где могут скрываться другие?»
Исследователи использовали сочетание интеллектуального анализа данных, компьютерного моделирования и структурного анализа (поскольку только материалы с определённой формой пригодны для использования в электронике), чтобы выявить новые потенциальные материалы-кандидаты.
Пэн Ян, первый автор исследования, сказал: «Мы разработали набор правил химического дизайна для прогнозирования этих материалов, что может значительно ускорить открытие новых функциональных материалов».
Джошуа Бирензвиге, студент, работающий с Беннеттом, сыграл ключевую роль, разработав скрипт на Python, который помогал сортировать потенциальные материалы на основе их свойств, ускоряя прогресс команды. Мона Лайег, кандидат химических наук в группе Беннетта, также является соавтором новой статьи.
Результаты
Результаты показали 83 потенциальных новых материала, которые можно было бы изготовить и использовать в технологической отрасли, что потенциально может значительно увеличить количество известных сегнетоэлектрических материалов.
После компьютерного анализа команда пошла ещё дальше. Исследователи из UMBC сотрудничали с Райаном Стаделем, Питером Завалием и Эфраином Родригесом из Университета Мэриленда в Колледж-Парке (UMD), которые изготовили и протестировали некоторые из предсказанных материалов в лаборатории. Их работа подтвердила, что прогнозы UMBC можно использовать для проведения экспериментов с новыми материалами.
«Возможность предсказывать, какие составы, вероятно, образуют стабильные функциональные материалы, даёт нам огромное преимущество в лаборатории, — сказал Беннетт. — Это как иметь книгу рецептов для материалов, которые ещё не были созданы, что экономит время и ресурсы».
Эти новые материалы могут найти широкое применение в реальных условиях, существенно продвинув вперёд электронную промышленность. Например, они могут помочь создать устройства памяти, которые могут хранить данные после отключения питания, крошечные датчики, которые обнаруживают минимальное количество определённых веществ, или компоненты с низким энергопотреблением, которые продлевают срок службы батареи телефона.
«Я в восторге, потому что работа демонстрирует успешный подход, основанный на данных, к открытию новых 2D-материалов с многообещающими функциональными свойствами, что потенциально может ускорить разработку электронных материалов нового поколения», — сказал Ян.
Следующие шаги
Далее команда планирует использовать сложное компьютерное моделирование, называемое высокопроизводительным моделированием на основе теории функционала плотности, для более детального изучения этих 83 материалов. Они проверят их сегнетоэлектрические свойства и то, насколько легко их можно изготовить. Кроме того, они продолжат сотрудничество с UMD для синтеза и изучения материалов в лаборатории, стремясь подтвердить их особые свойства и адаптировать их для конкретных приложений.
Исследование является важным шагом вперёд, прокладывая путь для материалов, которые могут изменить то, как инженеры создают электронику — от датчиков для военных нужд до более долговечных ноутбуков и планшетов для студентов в пути.
Предоставлено Университетом штата Мэриленд в Балтиморе (UMBC).