28 مارس 2024 (أخبار Nanowerk) يمكن حساب الخصائص السطحية للمواد البلورية المعقدة بشكل موثوق وتلقائي باستخدام القوانين الأساسية للفيزياء فقط، وذلك بفضل طريقة جديدة تعتمد على الكمبيوتر. يمكن لهذه الطريقة تسريع البحث عن مواد جديدة لتقنيات مهمة مثل الخلايا الكهروضوئية أو البطاريات أو نقل البيانات. أصبحت الأساليب المدعومة بالكمبيوتر فعالة بشكل متزايد أيضًا في البحث عن مواد جديدة للتكنولوجيات الرئيسية مثل الخلايا الكهروضوئية والبطاريات ونقل البيانات. طورت البروفيسورة الدكتورة كاترينا كوتشي وهولجر ديتريش ساسنيك من معهد الفيزياء بجامعة أولدنبورغ طريقة آلية عالية الإنتاجية لحساب الخصائص السطحية للمواد البلورية بدءًا مباشرة من مستوى قوانين الفيزياء الراسخة (المبادئ الأولى). في مقال نشر في المجلة المواد الحسابية npj ("التحليل الآلي للأوجه السطحية: مثال تيلورايد السيزيوم")، أفادوا أن هذا يمكن أن يسرع عملية البحث عن المواد ذات الصلة للتطبيقات في المجالات الرئيسية مثل قطاع الطاقة. ويخططون أيضًا لدمج الطريقة مع الذكاء الاصطناعي وتقنيات التعلم الآلي لتسريع العملية بشكل أكبر.
واستنادا إلى كمية صغيرة من المعلومات الأساسية حول بنية البلورة، يقوم برنامج الباحثين في أولدنبورغ بحساب خصائص المواد الجديدة المعقدة. (الصورة: جامعة أولدنبورغ / مجموعة EST) أوضح الفيزيائيان أن الأساليب المماثلة ركزت حتى الآن على المواد السائبة بدلاً من الأسطح. يقول كوتشي، الذي يرأس مجموعة أبحاث فيزياء الحالة الصلبة النظرية في جامعة أولدنبورغ: "إن جميع العمليات ذات الصلة بتحويل الطاقة وإنتاجها وتخزينها تحدث على الأسطح". ومع ذلك، فإن حساب خصائص المواد للأسطح يعد أكثر صعوبة بكثير من حساب البلورات الكاملة، لأن الجوانب السطحية غالبًا ما تحتوي على بنية معقدة بسبب عوامل مثل العيوب في البنية البلورية أو النمو غير المتساوي للبلورة، كما توضح. يطرح هذا التعقيد مشاكل للباحثين في مجال علم المواد: "غالبًا ما يكون من غير الممكن تحديد خصائص العينات بوضوح في التجارب"، كما يقول كوتشي. وقد حفز ذلك كوتشي وزميلها ساسنيك على تطوير إجراء آلي لفحص عالي الجودة لخصائص المركبات الجديدة. تم دمج نتيجة عملهم في برنامج الكمبيوتر aim2dat، والذي يتطلب فقط التركيب الكيميائي للمركب كمدخل. يتم استخراج المعلومات حول بنية البلورة من قواعد البيانات الموجودة. يقوم البرنامج بعد ذلك بحساب الظروف التي يكون فيها سطح المادة مستقرًا كيميائيًا. وفي الخطوة الثانية، يتم تحديد الخصائص الرئيسية، ولا سيما الطاقة اللازمة لإثارة الإلكترونات في حالات التوصيل أو فصل نفسها عن السطح. وتلعب هذه المعلمة دورًا مهمًا في المواد التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء، على سبيل المثال. «نحن لا نضع أي افتراضات في حساباتنا؛ "نحن نستخدم فقط المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم، ولهذا السبب فإن نتائجنا موثوقة للغاية"، يوضح كوتشي. وأثبت العالمان إمكانية تطبيق الطريقة باستخدام تيلورايد السيزيوم شبه الموصل. بلورات هذه المادة، والتي تستخدم كمصدر للإلكترون في مسرعات الجسيمات، يمكن أن تظهر في أربعة أشكال مختلفة. يقول ساسنيك: "من الصعب التحكم في تركيب وجودة عينات المواد في التجارب". ومع ذلك، تمكن باحثو أولدنبورغ من إجراء تحليل مفصل للخصائص الفيزيائية للتكوينات المختلفة لبلورات تيلورايد السيزيوم. قام كوتشي وساسنيك بتضمين البرنامج في مكتبة برامج يمكن الوصول إليها بشكل عام، حتى يتمكن الباحثون الآخرون أيضًا من استخدام الإجراء وتحسينه. يقول كوتشي: "تتمتع طريقتنا بإمكانات كبيرة كأداة لاكتشاف مواد جديدة - وخاصة المواد الصلبة المعقدة فيزيائيًا وهيكليًا - لجميع أنواع التطبيقات في قطاع الطاقة".
واستنادا إلى كمية صغيرة من المعلومات الأساسية حول بنية البلورة، يقوم برنامج الباحثين في أولدنبورغ بحساب خصائص المواد الجديدة المعقدة. (الصورة: جامعة أولدنبورغ / مجموعة EST) أوضح الفيزيائيان أن الأساليب المماثلة ركزت حتى الآن على المواد السائبة بدلاً من الأسطح. يقول كوتشي، الذي يرأس مجموعة أبحاث فيزياء الحالة الصلبة النظرية في جامعة أولدنبورغ: "إن جميع العمليات ذات الصلة بتحويل الطاقة وإنتاجها وتخزينها تحدث على الأسطح". ومع ذلك، فإن حساب خصائص المواد للأسطح يعد أكثر صعوبة بكثير من حساب البلورات الكاملة، لأن الجوانب السطحية غالبًا ما تحتوي على بنية معقدة بسبب عوامل مثل العيوب في البنية البلورية أو النمو غير المتساوي للبلورة، كما توضح. يطرح هذا التعقيد مشاكل للباحثين في مجال علم المواد: "غالبًا ما يكون من غير الممكن تحديد خصائص العينات بوضوح في التجارب"، كما يقول كوتشي. وقد حفز ذلك كوتشي وزميلها ساسنيك على تطوير إجراء آلي لفحص عالي الجودة لخصائص المركبات الجديدة. تم دمج نتيجة عملهم في برنامج الكمبيوتر aim2dat، والذي يتطلب فقط التركيب الكيميائي للمركب كمدخل. يتم استخراج المعلومات حول بنية البلورة من قواعد البيانات الموجودة. يقوم البرنامج بعد ذلك بحساب الظروف التي يكون فيها سطح المادة مستقرًا كيميائيًا. وفي الخطوة الثانية، يتم تحديد الخصائص الرئيسية، ولا سيما الطاقة اللازمة لإثارة الإلكترونات في حالات التوصيل أو فصل نفسها عن السطح. وتلعب هذه المعلمة دورًا مهمًا في المواد التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء، على سبيل المثال. «نحن لا نضع أي افتراضات في حساباتنا؛ "نحن نستخدم فقط المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم، ولهذا السبب فإن نتائجنا موثوقة للغاية"، يوضح كوتشي. وأثبت العالمان إمكانية تطبيق الطريقة باستخدام تيلورايد السيزيوم شبه الموصل. بلورات هذه المادة، والتي تستخدم كمصدر للإلكترون في مسرعات الجسيمات، يمكن أن تظهر في أربعة أشكال مختلفة. يقول ساسنيك: "من الصعب التحكم في تركيب وجودة عينات المواد في التجارب". ومع ذلك، تمكن باحثو أولدنبورغ من إجراء تحليل مفصل للخصائص الفيزيائية للتكوينات المختلفة لبلورات تيلورايد السيزيوم. قام كوتشي وساسنيك بتضمين البرنامج في مكتبة برامج يمكن الوصول إليها بشكل عام، حتى يتمكن الباحثون الآخرون أيضًا من استخدام الإجراء وتحسينه. يقول كوتشي: "تتمتع طريقتنا بإمكانات كبيرة كأداة لاكتشاف مواد جديدة - وخاصة المواد الصلبة المعقدة فيزيائيًا وهيكليًا - لجميع أنواع التطبيقات في قطاع الطاقة".
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64945.php
