Le straordinarie proprietà dei materiali 2-D, costituiti da un singolo strato di atomi, li hanno resi tra i materiali più studiati del nostro tempo. Hanno il potenziale per inaugurare una nuova generazione di elettronica migliorata, batterie e dispositivi sensoriali, tra le altre applicazioni.

Un ostacolo alla realizzazione di applicazioni di questi materiali è il costo e il tempo necessari per gli studi sperimentali. Però, le simulazioni al computer stanno aiutando i ricercatori a superare questa sfida al fine di caratterizzare con precisione le strutture e le funzioni dei materiali a un ritmo accelerato.

Presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ricercatori hanno simulato la crescita del silicene, un materiale 2-D con interessanti proprietà elettroniche. Il loro lavoro, pubblicato in Nanoscala , fornisce nuove e utili informazioni sulle proprietà e sul comportamento del materiale e offre un modello predittivo per altri ricercatori che studiano materiali 2D.

Andando avanti, questo modello può accelerare la comprensione da parte dei ricercatori dei materiali 2-D, e ci avvicina alla realizzazione delle loro applicazioni in un'ampia gamma di settori.

Nelle simulazioni, I ricercatori di Argonne hanno osservato il silicene, costituito da uno strato di atomi di silicio, evolvere man mano che cresceva sul metallo iridio. Gli scienziati hanno sviluppato il loro modello con il supporto dell'Argonne's Center for Nanoscale Materials e dell'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), entrambe strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e utilizzando dati sperimentali sulla crescita del silicene.

"Abbiamo usato i dati sperimentali per costruire il modello, " disse Mathew Cherukara, Argonne ricercatore post-dottorato e autore principale. "Abbiamo quindi utilizzato questa versione del modello per fare previsioni in condizioni diverse, e anche imparare i processi fisici sottostanti che governano la crescita del materiale."

Gli autori hanno poi lavorato con i ricercatori dell'ALCF per simulare la crescita di silicene atomo per atomo. Hanno simulato il materiale in condizioni variabili, alterando variabili come la temperatura e la velocità di deposito del silicene, fino a quando non hanno trovato le condizioni migliori per creare un unico, strato uniforme.

"Essenzialmente abbiamo fatto 'esperimenti' virtuali per ottimizzare diverse variabili, il tutto a un costo molto inferiore rispetto al laboratorio, " disse Badri Narayanan, Scienziato dei materiali Argonne e autore principale congiunto. "Ora, altri possono evitare gran parte dei tentativi ed errori all'interno del laboratorio. Invece possono sperimentare utilizzando l'insieme ottimizzato di condizioni previste dal nostro modello per produrre al meglio le strutture e le proprietà che desiderano".

Con il silicio, gli atomi di silicio possono organizzarsi in quattro, anelli di cinque o anche sei membri, formare gruppi o isole. Le sue proprietà materiali possono cambiare drasticamente a seconda del numero di atomi in un anello, la dimensione e la distribuzione di questi anelli e come si collegano tra loro nel tempo.

"Nelle simulazioni, abbiamo fatto ricorso a algoritmi di apprendimento automatico per identificare al volo questi minuscoli cluster, " ha detto Argonne Postdoctoral Fellow e co-autore Henry Chan. "La dimensione e la forma dei cluster e il modo in cui si combinano determinano in definitiva le proprietà di questi materiali 2-D".

Un vantaggio della modellazione di materiali 2D come il silicene è che i ricercatori possono visualizzare le interazioni e le configurazioni atomiche, come la formazione di cluster intermedi durante il processo di crescita. Questi spesso si evolvono troppo velocemente per essere catturati dai ricercatori durante gli esperimenti.

"È molto difficile catturare ammassi o isole che si formano perché avvengono su scale temporali molto brevi e su scale di lunghezza minuscole, " disse il subramaniano Sankaranarayanan, Scienziato e coautore di Argonne. "Le nostre simulazioni, che catturano solo decine di nanosecondi, riuscire a mostrare come si formano queste minuscole strutture e rivelare le condizioni ottimali per sintonizzare effettivamente le strutture in un modo o nell'altro".

"La crescita del silicio attraverso la migrazione e la coalescenza delle isole" è stata descritta sulla copertina del numero di agosto di Nanoscala .