28 marzo 2024 (Notizie Nanowerk) Le proprietà superficiali di materiali cristallini complessi possono essere calcolate in modo affidabile e automatico utilizzando solo le leggi fondamentali della fisica, grazie a un nuovo metodo computerizzato. Il metodo potrebbe accelerare la ricerca di nuovi materiali per tecnologie importanti come il fotovoltaico, le batterie o la trasmissione dei dati. I metodi computerizzati stanno diventando uno strumento sempre più potente nella ricerca di nuovi materiali per tecnologie chiave come il fotovoltaico, le batterie e la trasmissione dei dati. La prof.ssa Caterina Cocchi e Holger-Dietrich Saßnick dell'Istituto di fisica dell'Università di Oldenburg hanno ora sviluppato un metodo automatizzato ad alto rendimento per calcolare le proprietà superficiali dei materiali cristallini partendo direttamente al livello delle leggi fisiche stabilite (principi primi). In un articolo pubblicato sulla rivista materiali computazionali npj (“Analisi automatizzata delle sfaccettature superficiali: l’esempio del tellururo di cesio”), riferiscono che ciò può accelerare la ricerca di materiali pertinenti per applicazioni in settori chiave come il settore energetico. Prevedono inoltre di combinare il metodo con l’intelligenza artificiale e le tecniche di apprendimento automatico per accelerare ulteriormente il processo.
Sulla base di una piccola quantità di informazioni di base sulla struttura di un cristallo, il programma dei ricercatori di Oldenburg calcola le proprietà di nuovi materiali complessi. (Immagine: Università di Oldenburg / gruppo EST) Finora metodi simili si sono concentrati su materiali sfusi piuttosto che su superfici, spiegano i due fisici. “Tutti i processi rilevanti per la conversione, la produzione e lo stoccaggio dell’energia avvengono sulle superfici”, spiega Cocchi, che dirige il gruppo di ricerca sulla fisica teorica dello stato solido presso l’Università di Oldenburg. Tuttavia, il calcolo delle proprietà materiali delle superfici è molto più impegnativo che per i cristalli completi perché le sfaccettature superficiali hanno spesso una struttura complessa a causa di fattori come difetti nella struttura cristallina o la crescita irregolare di un cristallo, spiega. Questa complessità pone problemi ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali: “Spesso non è possibile determinare chiaramente le proprietà dei campioni negli esperimenti”, afferma Cocchi. Ciò ha motivato Cocchi e il suo collega Saßnick a sviluppare una procedura automatizzata per lo screening di alta qualità delle caratteristiche dei nuovi composti. Il risultato del loro lavoro è stato incorporato nel programma informatico goal2dat, che richiede come input solo la composizione chimica di un composto. Le informazioni sulla struttura del cristallo vengono estratte da database esistenti. Il software calcola quindi le condizioni in cui la superficie del materiale è chimicamente stabile. In una seconda fase determina le proprietà chiave, in particolare l'energia necessaria per eccitare gli elettroni negli stati di conduzione o staccarsi da una superficie. Questo parametro gioca un ruolo importante, ad esempio, nei materiali che convertono l'energia solare in elettricità. “Non facciamo alcuna ipotesi nei nostri calcoli; utilizziamo solo le equazioni fondamentali della meccanica quantistica, motivo per cui i nostri risultati sono molto affidabili”, spiega Cocchi. I due scienziati hanno dimostrato l'applicabilità del metodo utilizzando il semiconduttore al tellururo di cesio. I cristalli di questo materiale, utilizzato come sorgente di elettroni negli acceleratori di particelle, possono presentarsi in quattro forme diverse. "La composizione e la qualità dei campioni di materiale sono difficili da controllare negli esperimenti", osserva Saßnick. Tuttavia, i ricercatori di Oldenburg sono riusciti a eseguire un'analisi dettagliata delle proprietà fisiche delle diverse configurazioni dei cristalli di tellururo di cesio. Cocchi e Saßnick hanno incorporato il software in una libreria di programmi accessibile al pubblico in modo che anche altri ricercatori possano utilizzare e migliorare la procedura. “Il nostro metodo ha un grande potenziale come strumento per scoprire nuovi materiali – e in particolare solidi fisicamente e strutturalmente complessi – per tutti i tipi di applicazioni nel settore energetico”, afferma Cocchi.
Sulla base di una piccola quantità di informazioni di base sulla struttura di un cristallo, il programma dei ricercatori di Oldenburg calcola le proprietà di nuovi materiali complessi. (Immagine: Università di Oldenburg / gruppo EST) Finora metodi simili si sono concentrati su materiali sfusi piuttosto che su superfici, spiegano i due fisici. “Tutti i processi rilevanti per la conversione, la produzione e lo stoccaggio dell’energia avvengono sulle superfici”, spiega Cocchi, che dirige il gruppo di ricerca sulla fisica teorica dello stato solido presso l’Università di Oldenburg. Tuttavia, il calcolo delle proprietà materiali delle superfici è molto più impegnativo che per i cristalli completi perché le sfaccettature superficiali hanno spesso una struttura complessa a causa di fattori come difetti nella struttura cristallina o la crescita irregolare di un cristallo, spiega. Questa complessità pone problemi ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali: “Spesso non è possibile determinare chiaramente le proprietà dei campioni negli esperimenti”, afferma Cocchi. Ciò ha motivato Cocchi e il suo collega Saßnick a sviluppare una procedura automatizzata per lo screening di alta qualità delle caratteristiche dei nuovi composti. Il risultato del loro lavoro è stato incorporato nel programma informatico goal2dat, che richiede come input solo la composizione chimica di un composto. Le informazioni sulla struttura del cristallo vengono estratte da database esistenti. Il software calcola quindi le condizioni in cui la superficie del materiale è chimicamente stabile. In una seconda fase determina le proprietà chiave, in particolare l'energia necessaria per eccitare gli elettroni negli stati di conduzione o staccarsi da una superficie. Questo parametro gioca un ruolo importante, ad esempio, nei materiali che convertono l'energia solare in elettricità. “Non facciamo alcuna ipotesi nei nostri calcoli; utilizziamo solo le equazioni fondamentali della meccanica quantistica, motivo per cui i nostri risultati sono molto affidabili”, spiega Cocchi. I due scienziati hanno dimostrato l'applicabilità del metodo utilizzando il semiconduttore al tellururo di cesio. I cristalli di questo materiale, utilizzato come sorgente di elettroni negli acceleratori di particelle, possono presentarsi in quattro forme diverse. "La composizione e la qualità dei campioni di materiale sono difficili da controllare negli esperimenti", osserva Saßnick. Tuttavia, i ricercatori di Oldenburg sono riusciti a eseguire un'analisi dettagliata delle proprietà fisiche delle diverse configurazioni dei cristalli di tellururo di cesio. Cocchi e Saßnick hanno incorporato il software in una libreria di programmi accessibile al pubblico in modo che anche altri ricercatori possano utilizzare e migliorare la procedura. “Il nostro metodo ha un grande potenziale come strumento per scoprire nuovi materiali – e in particolare solidi fisicamente e strutturalmente complessi – per tutti i tipi di applicazioni nel settore energetico”, afferma Cocchi.
- Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
- PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
- PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
- PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
- Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
- Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64945.php
