Resepti atomisen ohuiden metallien vakauttamiseksi

Metalleenit ovat atomitason ohuita metalleja, joiden ainutlaatuiset ominaisuudet tekevät niistä erittäin lupaavia nanomittakaavan sovelluksissa. Niiden äärimmäinen ohuus tekee niistä kuitenkin myös hauraita.

Nyt Jyväskylän yliopiston Nanoscience Centerin tutkijat ovat onnistuneet tunnistamaan periaatteet, jotka voivat maksimoida niiden vakauden.

Ratkaisu voi avata mahdollisuuksia materiaalisuunnittelussa, nanoelektroniikassa, energiantuotannossa ja biolääketieteessä.

Metalleeneilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia, jotka tekevät niistä erittäin houkuttelevia tulevaisuuden sovelluksissa edistyneessä elektroniikassa, tehokkaassa energian varastoinnissa, sensoreissa ja katalyyseissä.

Niiden taipumus romahtaa metallisidosten vuoksi on kuitenkin tehnyt niiden synteesistä vaikeaa, ja ne on usein suljettava pieniksi läiskiksi mallimateriaalien huokosiin.

- Tutkijaryhmämme tavoitteena oli käyttää laajamittaista laskennallista lähestymistapaa metalleenirajapintojen systemaattiseen, mikroskooppiseen analyysiin ja löytää perussuunnitteluperiaatteet paremman vakauden saavuttamiseksi, selittää tiimin johtaja, professori Pekka Koskinen Jyväskylän yliopistosta.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi tutkijat käyttivät tehokasta laskennallista lähestymistapaa, joka yhdisti kvanttimekaanisen mallinnuksen edistyneeseen universaaliin koneoppimiseen.

Tämän avulla he pystyivät analysoimaan 1080 erilaisen grafeeni-metalleeni-rajapinnan stabiilisuutta ja ominaisuuksia.

– Havaitsimme, että rajapinnan vakaus riippuu tasaisten ja hyvin linjattujen geometrioiden ylläpitämisestä. Tällaiset siistit reunat tarjoavat vahvan kestävyyden virheille ja mekaaniselle rasitukselle, kun taas epäsäännölliset reunat edistävät epävakautta, sanoo teoreettiset simulaatiot tehnyt Jyväskylän yliopiston postdoc-tutkija Mohammad Bagheri .

Tutkijat havaitsivat myös, että siirtymämetalleista valmistetut metalleenit muodostavat kaiken kaikkiaan vankimmat rajapinnat. Lisäksi tutkimus validoi koneoppimismallien käytön atomitason rajapinnan käyttäytymisen tarkkaan ennustamiseen, mikä luo tehokkaan uuden työkalun uusien materiaalien suunnittelun ja seulonnan nopeuttamiseksi.

– Tämä systemaattinen ymmärrys tarjoaa hyödyllisiä geometrisia ja elementteihin liittyviä nyrkkisääntöjä stabiiliudelle. Tällä tavoin tutkimus tarjoaa ohjenuoran kestävämpien ja suurempimittakaavaisten metalleenirakenteiden synteesin nopeuttamiseksi, Koskinen sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Itseohjautuva laboratorio ja höyrypinnoitus

3D-tulostuksella aivan uudenlaisia materiaaleja