28 Μαρτίου 2024 (Ειδήσεις Nanowerk) Οι επιφανειακές ιδιότητες σύνθετων κρυσταλλικών υλικών μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα και αυτόματα χρησιμοποιώντας μόνο τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, χάρη σε μια νέα μέθοδο που βασίζεται σε υπολογιστή. Η μέθοδος θα μπορούσε να επιταχύνει την αναζήτηση νέων υλικών για σημαντικές τεχνολογίες όπως τα φωτοβολταϊκά, οι μπαταρίες ή η μετάδοση δεδομένων. Οι μέθοδοι με τη βοήθεια υπολογιστή γίνονται ολοένα και πιο ισχυρό στην αναζήτηση νέων υλικών για βασικές τεχνολογίες όπως τα φωτοβολταϊκά, οι μπαταρίες και η μετάδοση δεδομένων. Η καθ. Δρ. Caterina Cocchi και ο Holger-Dietrich Saßnick από το Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου του Όλντενμπουργκ έχουν τώρα αναπτύξει μια αυτοματοποιημένη μέθοδο υψηλής απόδοσης για τον υπολογισμό των επιφανειακών ιδιοτήτων των κρυσταλλικών υλικών ξεκινώντας απευθείας από το επίπεδο των καθιερωμένων νόμων της φυσικής (πρώτες αρχές). Σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό npj υπολογιστικά υλικά ("Αυτόματη ανάλυση επιφανειακών όψεων: το παράδειγμα του τελλουρίου καισίου"), αναφέρουν ότι αυτό μπορεί να επιταχύνει την αναζήτηση σχετικών υλικών για εφαρμογές σε βασικούς τομείς όπως ο ενεργειακός τομέας. Σκοπεύουν επίσης να συνδυάσουν τη μέθοδο με τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης και μηχανικής μάθησης για να επιταχύνουν περαιτέρω τη διαδικασία.
Με βάση μια μικρή ποσότητα βασικών πληροφοριών σχετικά με τη δομή ενός κρυστάλλου, το πρόγραμμα των ερευνητών του Oldenburg υπολογίζει τις ιδιότητες σύνθετων νέων υλικών. (Εικόνα: Πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ / ομάδα EST) Μέχρι στιγμής παρόμοιες μέθοδοι έχουν επικεντρωθεί σε χύμα υλικά και όχι σε επιφάνειες, εξηγούν οι δύο φυσικοί. «Όλες οι σχετικές διαδικασίες για τη μετατροπή, την παραγωγή και την αποθήκευση ενέργειας συμβαίνουν σε επιφάνειες», λέει ο Cocchi, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Θεωρητικής Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο Πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ. Ωστόσο, ο υπολογισμός των υλικών ιδιοτήτων των επιφανειών είναι πολύ πιο δύσκολος από ό,τι για τους πλήρεις κρυστάλλους, επειδή οι επιφανειακές όψεις έχουν συχνά πολύπλοκη δομή λόγω παραγόντων όπως ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή ή η ανομοιόμορφη ανάπτυξη ενός κρυστάλλου, εξηγεί. Αυτή η πολυπλοκότητα δημιουργεί προβλήματα για τους ερευνητές στον τομέα της επιστήμης των υλικών: «Συχνά δεν είναι δυνατό να προσδιοριστούν με σαφήνεια οι ιδιότητες των δειγμάτων στα πειράματα», λέει ο Cocchi. Αυτό παρακίνησε την Cocchi και τη συνάδελφό της Saßnick να αναπτύξουν μια αυτοματοποιημένη διαδικασία για τον έλεγχο υψηλής ποιότητας των χαρακτηριστικών νέων ενώσεων. Το αποτέλεσμα της δουλειάς τους ενσωματώθηκε στο πρόγραμμα υπολογιστή aim2dat, το οποίο απαιτεί μόνο τη χημική σύνθεση μιας ένωσης ως είσοδο. Οι πληροφορίες σχετικά με τη δομή του κρυστάλλου εξάγονται από υπάρχουσες βάσεις δεδομένων. Στη συνέχεια, το λογισμικό υπολογίζει τις συνθήκες κάτω από τις οποίες η επιφάνεια του υλικού είναι χημικά σταθερή. Σε ένα δεύτερο βήμα προσδιορίζει βασικές ιδιότητες, ιδιαίτερα την ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια σε καταστάσεις αγωγιμότητας ή να αποσπαστούν από μια επιφάνεια. Αυτή η παράμετρος παίζει σημαντικό ρόλο σε υλικά που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, για παράδειγμα. «Δεν κάνουμε υποθέσεις στους υπολογισμούς μας. χρησιμοποιούμε μόνο τις θεμελιώδεις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής, γι' αυτό τα αποτελέσματά μας είναι πολύ αξιόπιστα», εξηγεί ο Cocchi. Οι δύο επιστήμονες απέδειξαν την εφαρμοσιμότητα της μεθόδου χρησιμοποιώντας τον ημιαγωγό τελλουριδίου καισίου. Οι κρύσταλλοι αυτού του υλικού, το οποίο χρησιμοποιείται ως πηγή ηλεκτρονίων σε επιταχυντές σωματιδίων, μπορούν να εμφανιστούν σε τέσσερις διαφορετικές μορφές. «Η σύνθεση και η ποιότητα των δειγμάτων υλικού είναι δύσκολο να ελεγχθούν σε πειράματα», σημειώνει ο Saßnick. Ωστόσο, οι ερευνητές του Oldenburg μπόρεσαν να πραγματοποιήσουν μια λεπτομερή ανάλυση των φυσικών ιδιοτήτων για τις διαφορετικές διαμορφώσεις των κρυστάλλων του τελλουριδίου καισίου. Οι Cocchi και Saßnick έχουν ενσωματώσει το λογισμικό σε μια δημόσια προσβάσιμη βιβλιοθήκη προγραμμάτων, έτσι ώστε άλλοι ερευνητές να μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν και να βελτιώσουν τη διαδικασία. «Η μέθοδός μας έχει μεγάλες δυνατότητες ως εργαλείο για την ανακάλυψη νέων υλικών – και ειδικότερα φυσικά και δομικά πολύπλοκα στερεά – για κάθε είδους εφαρμογές στον ενεργειακό τομέα», λέει ο Cocchi.
Με βάση μια μικρή ποσότητα βασικών πληροφοριών σχετικά με τη δομή ενός κρυστάλλου, το πρόγραμμα των ερευνητών του Oldenburg υπολογίζει τις ιδιότητες σύνθετων νέων υλικών. (Εικόνα: Πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ / ομάδα EST) Μέχρι στιγμής παρόμοιες μέθοδοι έχουν επικεντρωθεί σε χύμα υλικά και όχι σε επιφάνειες, εξηγούν οι δύο φυσικοί. «Όλες οι σχετικές διαδικασίες για τη μετατροπή, την παραγωγή και την αποθήκευση ενέργειας συμβαίνουν σε επιφάνειες», λέει ο Cocchi, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Θεωρητικής Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο Πανεπιστήμιο του Όλντενμπουργκ. Ωστόσο, ο υπολογισμός των υλικών ιδιοτήτων των επιφανειών είναι πολύ πιο δύσκολος από ό,τι για τους πλήρεις κρυστάλλους, επειδή οι επιφανειακές όψεις έχουν συχνά πολύπλοκη δομή λόγω παραγόντων όπως ελαττώματα στην κρυσταλλική δομή ή η ανομοιόμορφη ανάπτυξη ενός κρυστάλλου, εξηγεί. Αυτή η πολυπλοκότητα δημιουργεί προβλήματα για τους ερευνητές στον τομέα της επιστήμης των υλικών: «Συχνά δεν είναι δυνατό να προσδιοριστούν με σαφήνεια οι ιδιότητες των δειγμάτων στα πειράματα», λέει ο Cocchi. Αυτό παρακίνησε την Cocchi και τη συνάδελφό της Saßnick να αναπτύξουν μια αυτοματοποιημένη διαδικασία για τον έλεγχο υψηλής ποιότητας των χαρακτηριστικών νέων ενώσεων. Το αποτέλεσμα της δουλειάς τους ενσωματώθηκε στο πρόγραμμα υπολογιστή aim2dat, το οποίο απαιτεί μόνο τη χημική σύνθεση μιας ένωσης ως είσοδο. Οι πληροφορίες σχετικά με τη δομή του κρυστάλλου εξάγονται από υπάρχουσες βάσεις δεδομένων. Στη συνέχεια, το λογισμικό υπολογίζει τις συνθήκες κάτω από τις οποίες η επιφάνεια του υλικού είναι χημικά σταθερή. Σε ένα δεύτερο βήμα προσδιορίζει βασικές ιδιότητες, ιδιαίτερα την ενέργεια που απαιτείται για να διεγείρουν τα ηλεκτρόνια σε καταστάσεις αγωγιμότητας ή να αποσπαστούν από μια επιφάνεια. Αυτή η παράμετρος παίζει σημαντικό ρόλο σε υλικά που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική, για παράδειγμα. «Δεν κάνουμε υποθέσεις στους υπολογισμούς μας. χρησιμοποιούμε μόνο τις θεμελιώδεις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής, γι' αυτό τα αποτελέσματά μας είναι πολύ αξιόπιστα», εξηγεί ο Cocchi. Οι δύο επιστήμονες απέδειξαν την εφαρμοσιμότητα της μεθόδου χρησιμοποιώντας τον ημιαγωγό τελλουριδίου καισίου. Οι κρύσταλλοι αυτού του υλικού, το οποίο χρησιμοποιείται ως πηγή ηλεκτρονίων σε επιταχυντές σωματιδίων, μπορούν να εμφανιστούν σε τέσσερις διαφορετικές μορφές. «Η σύνθεση και η ποιότητα των δειγμάτων υλικού είναι δύσκολο να ελεγχθούν σε πειράματα», σημειώνει ο Saßnick. Ωστόσο, οι ερευνητές του Oldenburg μπόρεσαν να πραγματοποιήσουν μια λεπτομερή ανάλυση των φυσικών ιδιοτήτων για τις διαφορετικές διαμορφώσεις των κρυστάλλων του τελλουριδίου καισίου. Οι Cocchi και Saßnick έχουν ενσωματώσει το λογισμικό σε μια δημόσια προσβάσιμη βιβλιοθήκη προγραμμάτων, έτσι ώστε άλλοι ερευνητές να μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν και να βελτιώσουν τη διαδικασία. «Η μέθοδός μας έχει μεγάλες δυνατότητες ως εργαλείο για την ανακάλυψη νέων υλικών – και ειδικότερα φυσικά και δομικά πολύπλοκα στερεά – για κάθε είδους εφαρμογές στον ενεργειακό τομέα», λέει ο Cocchi.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64945.php
