Un team di EPFL e NCCR Marvel ha identificato più di 1, 000 materiali con una struttura 2-D particolarmente interessante. La loro ricerca, pubblicato in Nanotecnologia della natura , apre la strada ad applicazioni tecnologiche innovative.

materiali 2-D, costituiti da pochi strati di atomi, sono considerati il ​​futuro della nanotecnologia. Offrono potenziali nuove applicazioni e potrebbero essere utilizzate in piccoli, dispositivi più performanti e più efficienti dal punto di vista energetico. I materiali bidimensionali sono stati scoperti per la prima volta quasi 15 anni fa, ma finora ne sono state sintetizzate solo poche decine. Ora, grazie a un approccio sviluppato dai ricercatori del Laboratorio di teoria e simulazione dei materiali dell'EPFL (THEOS) e del NCCR-MARVEL per la progettazione computazionale e la scoperta di nuovi materiali, possono essere identificati molti materiali 2-D più promettenti. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Il primo materiale 2-D isolato è stato il grafene, nel 2004, guadagnando ai suoi scopritori un premio Nobel nel 2010. Questo ha segnato l'inizio di una nuova era nell'elettronica, come il grafene è leggero, trasparente e resistente e, soprattutto, un buon conduttore di elettricità. Ha aperto la strada a nuove applicazioni in campi come il fotovoltaico e l'optoelettronica. "Per trovare altri materiali con proprietà simili, ci siamo concentrati sulla fattibilità dell'esfoliazione, " spiega Nicolas Mounet, ricercatore nel laboratorio THEOS e autore principale dello studio. "Ma invece di posizionare strisce adesive sulla grafite per vedere se gli strati si staccano, come facevano i premi Nobel, abbiamo usato un metodo digitale."

I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo per rivedere e analizzare attentamente la struttura di oltre 100, 000 materiali 3-D registrati in database esterni. Da questa, hanno creato un database di circa 5, 600 potenziali materiali 2-D, di cui più di 1, 000 con proprietà particolarmente promettenti. In altre parole, hanno creato un tesoro per gli esperti di nanotecnologia.

Per costruire il loro database, i ricercatori hanno utilizzato un processo di eliminazione graduale. Primo, hanno identificato tutti i materiali che sono costituiti da strati separati. "Abbiamo quindi studiato la chimica di questi materiali in modo più dettagliato e calcolato l'energia che sarebbe necessaria per separare gli strati, concentrandosi principalmente su materiali in cui le interazioni tra atomi di strati diversi sono deboli, qualcosa noto come legame di Van der Waals, "dice Marco Gibertini, ricercatore presso THEOS e secondo autore dello studio.

Dei 5, 600 materiali inizialmente individuati, i ricercatori hanno individuato 1, 800 strutture potenzialmente esfoliabili, di cui 1, 036 che sembrava particolarmente facile da esfoliare. Ciò rappresenta un notevole aumento del numero di possibili materiali 2-D oggi conosciuti. Hanno quindi selezionato i 258 materiali più promettenti, classificandoli in base al loro magnetico, elettronico, meccanico, proprietà termiche e topologiche.

"Il nostro studio dimostra che le tecniche digitali possono davvero dare impulso alla scoperta di nuovi materiali, "dice Nicola Marzari, il direttore di NCCR-MARVEL e un professore di THEOS. "Nel passato, i chimici hanno dovuto ricominciare da zero e continuare a provare cose diverse, che richiedeva ore di laboratorio e una certa dose di fortuna. Con il nostro approccio, possiamo evitare così a lungo, processo frustrante perché abbiamo uno strumento in grado di individuare i materiali che vale la pena studiare ulteriormente, permettendoci di condurre ricerche più mirate".

È inoltre possibile riprodurre i calcoli dei ricercatori grazie al loro software AiiDA, che descrive il processo di calcolo per ogni materiale scoperto sotto forma di flussi di lavoro e memorizza la provenienza completa di ogni fase del calcolo. "Senza AiiDA, sarebbe stato molto difficile combinare ed elaborare diversi tipi di dati, " spiega Giovanni Pizzi, ricercatore senior presso THEOS e coautore dello studio. "I nostri flussi di lavoro sono disponibili al pubblico, così chiunque nel mondo può riprodurre i nostri calcoli e applicarli a qualsiasi materiale per scoprire se può essere esfoliato".