Un nuovo modello matematico aiuta a prevedere i piccoli cambiamenti nei materiali a base di carbonio che potrebbero produrre proprietà interessanti.

Scienziati della Tohoku University e colleghi in Giappone hanno sviluppato un modello matematico che astrae gli effetti chiave delle modifiche alle geometrie del materiale di carbonio e ne prevede le proprietà uniche.

I dettagli sono stati pubblicati sulla rivista Carbonio .

Gli scienziati generalmente utilizzano modelli matematici per prevedere le proprietà che potrebbero emergere quando un materiale viene modificato in determinati modi. Modifica della geometria del grafene tridimensionale (3D), che è fatto di reti di atomi di carbonio, aggiungendo sostanze chimiche o introducendo difetti topologici, può migliorare le sue proprietà catalitiche, Per esempio. Ma è stato difficile per gli scienziati capire perché questo accade esattamente.

Il nuovo modello matematico, detta realizzazione standard con interazione repulsiva (SRRI), rivela la relazione tra questi cambiamenti e le proprietà che ne derivano. Lo fa utilizzando meno potenza di calcolo rispetto al modello tipico impiegato per questo scopo, chiamata teoria del funzionale della densità (DFT), ma è meno preciso.

Con il modello SRRI, gli scienziati hanno perfezionato un altro modello esistente mostrando le forze attrattive e repulsive che esistono tra atomi adiacenti nei materiali a base di carbonio. Il modello SRRI tiene conto anche di due tipi di curvatura in tali materiali:curvature locali e curvatura media.

I ricercatori, guidato dal matematico della Tohoku University Motoko Kotani, hanno usato il loro modello per prevedere le proprietà catalitiche che si sarebbero verificate quando le curvature locali e i droganti fossero stati introdotti nel grafene 3D. I loro risultati erano simili a quelli prodotti dal modello DFT.

"L'accuratezza del modello SRRI ha mostrato un accordo qualitativo con i calcoli DFT, ed è in grado di filtrare attraverso potenziali materiali circa un miliardo di volte più velocemente di DFT, "dice Kotani.

Il team ha quindi fabbricato il materiale e ne ha determinato le proprietà utilizzando la microscopia a scansione elettrochimica delle cellule. Questo metodo può mostrare un collegamento diretto tra la geometria del materiale e la sua attività catalitica. Ha rivelato che i siti cataliticamente attivi si trovano sulle curvature locali.

"Il nostro modello matematico può essere utilizzato come un efficace strumento di pre-screening per esplorare nuovi materiali in carbonio 2D e 3D per proprietà uniche prima di applicare la modellazione DFT, " dice Kotani. "Questo dimostra l'importanza della matematica nell'accelerare la progettazione dei materiali".

Il team prevede di utilizzare il loro modello per cercare collegamenti tra la progettazione di un materiale e le sue proprietà meccaniche e di trasporto degli elettroni.