Astratto grafico. Credito:Nano lettere (2022). DOI:10.1021/acs.nanolett.1c03841
I materiali bidimensionali (2D) possiedono proprietà straordinarie. Di solito sono costituiti da strati atomici spessi solo pochi nanometri e sono particolarmente adatti a condurre calore ed elettricità, ad esempio. Con stupore di molti scienziati, di recente si è appreso che i materiali 2D possono esistere anche sulla base di determinati ossidi metallici. Questi ossidi sono di grande interesse in aree come le applicazioni della nanoelettronica. Un gruppo di ricerca tedesco-americano, guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), è ora riuscito a prevedere ventotto rappresentanti di questa nuova classe di materiali utilizzando metodi basati sui dati.
C'è una differenza sostanziale tra i materiali 2D convenzionali come il grafene ei nuovi materiali che possono essere sintetizzati da ossidi di metallo come ilmenite e cromite. Questi ultimi non formano interazioni deboli - quelle che sono note come forze di van der Waals - nella loro struttura cristallina, ma formano invece legami ionici più forti che puntano in tutte le direzioni. Per questo motivo, finora solo pochi esperimenti sono riusciti a staccare nuovi materiali 2D da blocchi di materiale 3D. I risultati dello studio possono ora portare al successo in ulteriori esperimenti di questo tipo. Utilizzando metodi teorici, gli scienziati prevedono quali composti valgono effettivamente la pena per la ricerca sperimentale.
"Con il nostro metodo basato sui dati, ci siamo basati sulle prime informazioni disponibili dagli esperimenti iniziali. Da queste informazioni, abbiamo sviluppato prototipi strutturali e poi li abbiamo eseguiti attraverso un enorme database di materiali come criterio di filtro", spiega il leader dello studio, il dott. Rico Friedrich dell'Istituto HZDR di Fisica del fascio di ioni e ricerca sui materiali. "La sfida principale è stata capire perché questi materiali formano così facilmente sistemi 2D con ossidi particolari. Da queste informazioni, siamo stati in grado di sviluppare un criterio di ricerca generalizzato valido e abbiamo potuto caratterizzare sistematicamente i candidati identificati in base alle loro proprietà."
A tal fine, i ricercatori hanno applicato principalmente quella che è nota come "teoria del funzionale della densità", un metodo computazionale pratico per le strutture elettroniche ampiamente utilizzato nella chimica quantistica e nella fisica della materia condensata. Hanno collaborato con diversi data center tedeschi ad alte prestazioni per le fasi di elaborazione necessarie. Determinante è stata la determinazione dell'energia di esfoliazione:questa definisce quanta energia deve essere spesa per rimuovere uno strato 2D dalla superficie di un materiale.
Database dei materiali con circa 3,5 milioni di voci
Lo studio ha anche utilizzato il database dei materiali AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery). È stato sviluppato per più di vent'anni dal Prof. Stefano Curtarolo della Duke University (U.S.), che ha contribuito anche come autore dello studio. AFLOW è considerato uno dei più grandi database di scienze dei materiali e classifica circa 3,5 milioni di composti con oltre 700 milioni di proprietà dei materiali calcolate.
Insieme al software associato, il database ha infine fornito ai ricercatori non solo la composizione chimica di ventotto materiali compatibili con 2D, ma ha anche consentito loro di studiarne le proprietà, che sono notevoli dal punto di vista elettronico e magnetico oltre che topologico. Secondo Rico Friedrich, le loro specifiche strutture della superficie magnetica potrebbero renderli particolarmente attraenti per le applicazioni spintroniche, come l'archiviazione di dati in computer e smartphone.
"Sono certo che possiamo trovare ulteriori materiali 2D di questo tipo", afferma il fisico di Dresda, lanciando uno sguardo al futuro. "Con un numero sufficiente di candidati, forse si potrebbe creare anche un database dedicato interamente specializzato in questa nuova classe di materiali". Gli scienziati dell'HZDR rimangono in stretto contatto con i colleghi di un centro di ricerca collaborativo relativo alla materia (Sonderforschungsbereich) presso la TU Dresden, nonché con il principale gruppo di ricerca per la sintesi di nuovi sistemi 2D negli Stati Uniti. Insieme a entrambi i partner, intendono proseguire lo studio dei composti più promettenti. + Esplora ulteriormente
