Una scansione ad alto rendimento delle possibili composizioni per una nuova classe di materiali nota come MXenes offre ai ricercatori una direzione preziosa per scegliere il miglior candidato tra milioni di possibili ricette di materiali. Lo studio di simulazione dei ricercatori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing è un progresso significativo nel campo degli MXenes, che hanno un potenziale entusiasmante nelle applicazioni di stoccaggio dell'energia di prossima generazione.
I materiali bidimensionali (2-D) sono una classe relativamente nuova di materiali che mostrano un'ampia gamma di proprietà insolite associate alla loro capacità di limitare il movimento degli elettroni e dell'energia in un piano 2-D. Le leghe MXene sono una classe di materiali 2-D scoperta molto di recente, che potrebbe concepibilmente consistere in una qualsiasi delle milioni di possibili disposizioni di metalli di transizione (come molibdeno o titanio), carbonio e azoto. Queste caratteristiche si riflettono nel nome 'MXene':la 'M' rappresenta atomi di metallo, la 'X' denota carbonio e azoto, mentre il suffisso 'ene' segnala la struttura atomica 2-D dei materiali.
"Dato che gli MXenes sono nuovi, c'è ancora molto da imparare sulla loro struttura e proprietà, " afferma Teck Leong Tan di A*STAR. "Poiché le leghe MXene si formano mescolando diversi tipi di elementi di transizione con composizioni diverse, le possibilità di lega in MXenes sono enormi. Quindi abbiamo sviluppato un metodo computazionale ad alto rendimento per prevedere le probabili strutture e le fasi stabili di diverse leghe MXene in tutti gli intervalli di composizione e temperature".
Sebbene ci siano molte possibili composizioni di leghe MXene, la maggior parte non sarà stabile. La sfida affrontata dagli scienziati dei materiali è stata come analizzare in modo efficiente l'enorme numero di configurazioni di leghe per identificare quelle con l'energia di formazione più bassa e quindi la stabilità più elevata. Gli approcci di calcolo convenzionali dei "principi primi" sono troppo impegnativi dal punto di vista computazionale perché una tale scansione sia fattibile.
"Il nostro approccio utilizza quello che viene chiamato un metodo di espansione dei cluster per "apprendere" le interazioni efficaci tra gli atomi, consentendo così una rapida valutazione delle energie di formazione di milioni di strutture in lega MXene, "dice Tan.
La scansione, condotto in collaborazione con la Drexel University negli Stati Uniti, ha rivelato che i MXeni a base di molibdeno mescolati con vanadio, tantalio, niobio o titanio, sembrano formare le strutture ordinate più stabili. Il titanio, tuttavia, tende a formare strutture ordinate stabili "asimmetriche" che in precedenza non erano considerate vitali.
"La nostra scansione ci consente di prevedere le strutture delle leghe MXene che devono ancora essere fabbricate e stimare la probabilità della loro fabbricazione da un punto di vista termodinamico. E per le leghe MXene note, le nostre strutture previste sono coerenti con i risultati sperimentali".
