I ricercatori dell’Università di Nagoya in Giappone hanno utilizzato l’intelligenza artificiale per scoprire un nuovo metodo per comprendere piccoli difetti chiamati dislocazioni nei materiali policristallini, materiali ampiamente utilizzati nelle apparecchiature informatiche, nelle celle solari e nei dispositivi elettronici, che possono ridurre l’efficienza di tali dispositivi. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials .
Quasi tutti i dispositivi che utilizziamo nella nostra vita moderna hanno un componente policristallino. Dal tuo smartphone al tuo computer fino ai metalli e alla ceramica della tua auto. Nonostante ciò, i materiali policristallini sono difficili da utilizzare a causa delle loro strutture complesse. Oltre alla composizione, le prestazioni di un materiale policristallino sono influenzate dalla sua complessa microstruttura, dislocazioni e impurità.
Uno dei maggiori problemi legati all'utilizzo dei policristalli nell'industria è la formazione di minuscoli difetti cristallini causati dallo stress e dai cambiamenti di temperatura. Queste sono note come dislocazioni e possono interrompere la disposizione regolare degli atomi nel reticolo, influenzando la conduzione elettrica e le prestazioni generali. Per ridurre le possibilità di guasto nei dispositivi che utilizzano materiali policristallini, è importante comprendere la formazione di queste dislocazioni.
Un team di ricercatori dell’Università di Nagoya, guidato dal professor Noritaka Usami e comprendente il docente Tatsuya Yokoi e il professore associato Hiroaki Kudo e collaboratori, ha utilizzato una nuova intelligenza artificiale per analizzare i dati di immagine di un materiale ampiamente utilizzato nei pannelli solari, chiamato silicio policristallino. L'intelligenza artificiale ha creato un modello 3D nello spazio virtuale, aiutando il team a identificare le aree in cui i cluster di dislocazioni influenzavano le prestazioni del materiale.
Dopo aver identificato le aree dei cluster di dislocazioni, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica e calcoli teorici per capire come si sono formate queste aree. Hanno rivelato la distribuzione dello stress nel reticolo cristallino e hanno trovato strutture simili a scale ai confini tra i grani cristallini. Queste strutture sembrano causare dislocazioni durante la crescita dei cristalli. "Abbiamo trovato una nanostruttura speciale nei cristalli associata alle dislocazioni nelle strutture policristalline", ha detto Usami.
Oltre alle sue implicazioni pratiche, questo studio potrebbe avere importanti implicazioni anche per la scienza della crescita e della deformazione dei cristalli. Il modello Haasen-Alexander-Sumino (HAS) è un quadro teorico influente utilizzato per comprendere il comportamento delle dislocazioni nei materiali. Ma Usami ritiene di aver scoperto dislocazioni che il modello Haasen-Alexander-Sumino non aveva notato.
Un'altra sorpresa è arrivata subito dopo, poiché quando il team ha calcolato la disposizione degli atomi in queste strutture, ha trovato tensioni di legame di trazione inaspettatamente grandi lungo il bordo delle strutture a scala che hanno innescato la generazione di dislocazioni.
Come spiegato da Usami, "Come esperti che studiano questo problema da anni, siamo rimasti stupiti ed entusiasti di vedere finalmente la prova della presenza di dislocazioni in queste strutture. Ciò suggerisce che possiamo controllare la formazione di cluster di dislocazioni controllando la direzione in cui si allarga il confine."
"Estraendo e analizzando le regioni su scala nanometrica attraverso l'informatica dei materiali policristallini, che combina esperimento, teoria e intelligenza artificiale, abbiamo reso possibile per la prima volta questo chiarimento dei fenomeni nei materiali policristallini complessi", ha continuato Usami.
"Questa ricerca illumina il percorso verso la definizione di linee guida universali per materiali ad alte prestazioni e si prevede che contribuirà alla creazione di materiali policristallini innovativi. Il potenziale impatto di questa ricerca si estende oltre le celle solari e spazia dalla ceramica ai semiconduttori. I materiali policristallini sono ampiamente utilizzati nella società, e il miglioramento delle prestazioni di questi materiali ha il potenziale per rivoluzionare la società."
Ulteriori informazioni: Kenta Yamakoshi et al, Informatica multicristallina applicata al silicio multicristallino per svelare la causa principale microscopica della generazione di dislocazioni, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202308599
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Università di Nagoya
