I nuovi materiali 2-D hanno il potenziale per trasformare le tecnologie, con applicazioni dalle celle solari agli smartphone e all'elettronica indossabile, spiega Can Ataca di UMBC, assistente professore di fisica. Questi materiali sono costituiti da un singolo strato di atomi legati insieme in una struttura cristallina. Infatti, sono così sottili che una pila di 10 milioni di essi sarebbe spessa solo 1 millimetro. E qualche volta, Ataca dice, meno è di più. Alcuni materiali 2-D sono più efficaci ed efficienti di materiali simili che sono molto più spessi.

Nonostante i loro vantaggi, però, I materiali 2-D sono attualmente difficili e costosi da realizzare. Ciò significa che gli scienziati che cercano di crearli devono fare scelte attente su come investire il loro tempo, energia, e fondi per lo sviluppo.

Nuova ricerca di Daniel Wines, dottorato di ricerca candidato in fisica, e Ataca fornisce a quegli scienziati le informazioni di cui hanno bisogno per perseguire una ricerca ad alto impatto in questo campo. Il loro lavoro teorico fornisce informazioni affidabili su quali nuovi materiali potrebbero avere proprietà desiderabili per una vasta gamma di applicazioni e potrebbero esistere in una forma stabile in natura. In un recente articolo pubblicato su Materiali e interfacce applicati ACS, hanno utilizzato tecniche di modellazione computerizzata all'avanguardia per prevedere le proprietà dei materiali 2D che non sono ancora state realizzate nella vita reale.

"Di solito cerchiamo di stare cinque anni avanti agli sperimentalisti, " dice Vini. In questo modo, possono evitare di scendere costosi vicoli ciechi. "Questo è il momento, sforzo, e denaro che possono concentrarsi su altre cose."

Il mix perfetto

Il nuovo documento si concentra sulla stabilità e le proprietà dei materiali 2-D chiamati nitruri del gruppo III. Queste sono miscele di azoto e un elemento del gruppo III sulla tavola periodica, che include alluminio, gallio, indio, e boro.

Gli scienziati hanno già realizzato alcuni di questi materiali 2-D in piccole quantità. Invece di guardare le miscele di uno degli elementi del gruppo III con l'azoto, però, Vini e leghe modellate Ataca:miscele che includono azoto e due diversi elementi del gruppo III. Per esempio, hanno predetto le proprietà dei materiali fatti principalmente di alluminio, ma con un po' di gallio aggiunto, o principalmente gallio, ma con un po' di indio aggiunto.

Questi materiali "intermedi" potrebbero avere proprietà intermedie che potrebbero essere utili in determinate applicazioni. "Facendo questa lega, possiamo dire, ho la luce arancione, ma ho materiali che possono assorbire la luce rossa e la luce gialla, " Dice Ataca. "Allora, come posso mescolarlo in modo che possa assorbire la luce arancione?" La regolazione delle capacità di assorbimento della luce di questi materiali potrebbe migliorare l'efficienza dei sistemi di energia solare, Per esempio.

Leghe del futuro

Ataca e Wines hanno anche esaminato le proprietà elettriche e termoelettriche dei materiali. Un materiale ha capacità termoelettrica se può generare elettricità quando un lato è freddo e l'altro è caldo. I nitruri di base del gruppo III hanno proprietà termoelettriche, "ma a certe concentrazioni, le proprietà termoelettriche delle leghe sono migliori dei nitruri di base del gruppo III, "dice Ataca.

Vini aggiunge, "Questa è la motivazione principale per fare la lega:la sintonizzabilità delle proprietà".

Hanno anche dimostrato che non tutte le leghe sarebbero stabili nella vita reale. Per esempio, le miscele di alluminio e boro a qualsiasi concentrazione non erano stabili. Però, cinque diversi rapporti di miscele di gallio-alluminio erano stabili.

Una volta che la produzione dei nitruri di base del gruppo III diventa più affidabile ed è aumentata, Wines e Ataca si aspettano che gli scienziati lavorino sull'ingegneria dei materiali per applicazioni specifiche utilizzando i risultati come guida.

Ritorno alle origini... con i supercomputer

Wines e Ataca hanno modellato le proprietà dei materiali utilizzando supercomputer. Piuttosto che utilizzare i dati sperimentali come input per i loro modelli, "Stiamo usando le basi della meccanica quantistica per creare queste proprietà. Quindi la parte buona è che non abbiamo pregiudizi sperimentali, " Dice Ataca. "Stiamo lavorando su cose che non hanno alcuna prova sperimentale prima. Quindi questo è un approccio affidabile".

Per ottenere i risultati più accurati è necessaria una grande quantità di potenza di calcolo e richiede molto tempo. L'esecuzione dei loro modelli al massimo livello di precisione può richiedere diversi giorni.

"È un po' come raccontare una storia, " Wines dice. "Passiamo attraverso il livello più elementare per vagliare i materiali, " che richiede solo circa un'ora. "E poi passiamo ai massimi livelli di precisione, utilizzando i computer più potenti, per trovare i parametri più precisi possibili."

"Penso che la parte bella di questi studi sia che siamo partiti dalle basi e siamo letteralmente saliti al livello più accurato nel nostro campo, " Aggiunge Ataca. "Ma possiamo sempre chiedere di più".

Una nuova frontiera

Hanno continuato ad avanzare in un territorio scientifico inesplorato. In un altro documento, pubblicato entro una settimana dal primo in Materiali e interfacce applicati ACS , Teodosia Gougousi, professore di fisica; Jaron Kropp, dottorato di ricerca '20, fisica; e Ataca hanno dimostrato un modo per integrare materiali 2D in dispositivi reali.

I materiali 2-D spesso devono essere collegati a un circuito elettronico all'interno di un dispositivo. È necessario uno strato intermedio per stabilire tale connessione e il team ne ha trovato uno che funziona. "Abbiamo una molecola che può farlo, che può stabilire una connessione con il materiale, per utilizzarlo per applicazioni di circuiti esterni, "dice Ataca.

Questo risultato è un grosso problema per l'implementazione di materiali 2-D. "Questo lavoro combina la ricerca sperimentale fondamentale sui processi che si verificano sulla superficie dei cristalli atomici 2-D con una valutazione computazionale dettagliata del sistema, " Dice Gougousi. "Fornisce una guida alla comunità dei dispositivi in ​​modo che possano integrare con successo nuovi materiali nelle architetture dei dispositivi tradizionali".

Collaborazione tra discipline

Le analisi teoriche per questo lavoro sono avvenute nel laboratorio di Ataca, e gli esperimenti sono avvenuti nel laboratorio di Gougousi. Kropp ha lavorato in entrambi i gruppi.

"Il progetto esemplifica la sinergia necessaria per lo sviluppo e il progresso della scienza e della tecnologia, " dice Gougousi. "E' anche un ottimo esempio delle opportunità che hanno i nostri laureati di lavorare su problemi di grande interesse tecnologico, e sviluppare un'ampia base di conoscenze e un insieme unico di competenze tecniche."

Kropp, chi è il primo autore della seconda carta, è entusiasta di aver avuto questa esperienza di ricerca.

"I semiconduttori 2-D sono interessanti perché hanno il potenziale per applicazioni in dispositivi elettronici non tradizionali, come l'elettronica indossabile o flessibile, visto che sono così magri, "dice. "Ho avuto la fortuna di avere due ottimi consiglieri, perché questo mi ha permesso di combinare perfettamente il lavoro sperimentale e quello teorico. Spero che i risultati di questo lavoro possano aiutare altri ricercatori a sviluppare nuovi dispositivi basati su materiali 2-D".