28 marca 2024 (Wiadomości Nanowerk) Właściwości powierzchni złożonych materiałów krystalicznych można obliczyć niezawodnie i automatycznie, korzystając wyłącznie z podstawowych praw fizyki, dzięki nowej metodzie komputerowej. Metoda może przyspieszyć poszukiwania nowych materiałów do ważnych technologii, takich jak fotowoltaika, baterie czy transmisja danych. Metody wspomagane komputerowo stają się coraz potężniejszym narzędziem w poszukiwaniu nowych materiałów do kluczowych technologii, takich jak fotowoltaika, baterie i transmisja danych. Prof. dr Caterina Cocchi i Holger-Dietrich Saßnick z Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Oldenburgu opracowali obecnie wysokowydajną, zautomatyzowaną metodę obliczania właściwości powierzchni materiałów krystalicznych, zaczynając bezpośrednio od poziomu ustalonych praw fizyki (pierwszych zasad). W artykule opublikowanym w czasopiśmie materiały obliczeniowe npj („Automatyczna analiza aspektów powierzchni: przykład tellurku cezu”), podają, że może to przyspieszyć wyszukiwanie odpowiednich materiałów do zastosowań w kluczowych obszarach, takich jak sektor energetyczny. Planują także połączyć tę metodę z technikami sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, aby jeszcze bardziej przyspieszyć proces.
Na podstawie niewielkiej ilości podstawowych informacji o strukturze kryształu program badaczy z Oldenburga oblicza właściwości nowych, złożonych materiałów. (Zdjęcie: Uniwersytet w Oldenburgu / grupa EST) Jak dotąd podobne metody koncentrowały się na materiałach sypkich, a nie na powierzchniach, wyjaśniają dwaj fizycy. „Wszystkie istotne procesy konwersji, produkcji i magazynowania energii zachodzą na powierzchniach” – mówi Cocchi, który kieruje grupą badawczą Teoretycznej Fizyki Ciała Stałego na Uniwersytecie w Oldenburgu. Jednak obliczenie właściwości materiałowych powierzchni jest znacznie trudniejsze niż w przypadku całych kryształów, ponieważ fasety powierzchni często mają złożoną strukturę z powodu takich czynników, jak defekty w strukturze kryształu lub nierównomierny wzrost kryształu – wyjaśnia. Ta złożoność stwarza problemy dla badaczy zajmujących się materiałoznawstwem: „Często nie jest możliwe jednoznaczne określenie właściwości próbek w eksperymentach” – mówi Cocchi. Zmotywowało to Cocchi i jej koleżankę Saßnick do opracowania zautomatyzowanej procedury wysokiej jakości badania przesiewowego właściwości nowych związków. Wynik ich pracy został włączony do programu komputerowego aim2dat, który jako dane wejściowe wymaga jedynie składu chemicznego związku. Informacje o strukturze kryształu pobierane są z istniejących baz danych. Następnie oprogramowanie oblicza warunki, w jakich powierzchnia materiału jest stabilna chemicznie. W drugim etapie określa kluczowe właściwości, w szczególności energię potrzebną do wzbudzenia elektronów do stanu przewodzenia lub odłączenia się od powierzchni. Parametr ten odgrywa ważną rolę np. w materiałach przetwarzających energię słoneczną na energię elektryczną. „W naszych obliczeniach nie przyjmujemy żadnych założeń; używamy tylko podstawowych równań mechaniki kwantowej, dlatego nasze wyniki są bardzo wiarygodne” – wyjaśnia Cocchi. Obaj naukowcy wykazali możliwość zastosowania metody wykorzystującej półprzewodnikowy tellurek cezu. Kryształy tego materiału, który jest wykorzystywany jako źródło elektronów w akceleratorach cząstek, mogą występować w czterech różnych postaciach. „Skład i jakość próbek materiału trudno kontrolować w eksperymentach” – zauważa Saßnick. Niemniej jednak badaczom z Oldenburga udało się przeprowadzić szczegółową analizę właściwości fizycznych różnych konfiguracji kryształów tellurku cezu. Cocchi i Saßnick umieścili oprogramowanie w publicznie dostępnej bibliotece programów, dzięki czemu inni badacze również mogą korzystać i ulepszać tę procedurę. „Nasza metoda ma ogromny potencjał jako narzędzie do odkrywania nowych materiałów – w szczególności ciał stałych złożonych fizycznie i strukturalnie – do wszelkiego rodzaju zastosowań w sektorze energetycznym” – mówi Cocchi.
Na podstawie niewielkiej ilości podstawowych informacji o strukturze kryształu program badaczy z Oldenburga oblicza właściwości nowych, złożonych materiałów. (Zdjęcie: Uniwersytet w Oldenburgu / grupa EST) Jak dotąd podobne metody koncentrowały się na materiałach sypkich, a nie na powierzchniach, wyjaśniają dwaj fizycy. „Wszystkie istotne procesy konwersji, produkcji i magazynowania energii zachodzą na powierzchniach” – mówi Cocchi, który kieruje grupą badawczą Teoretycznej Fizyki Ciała Stałego na Uniwersytecie w Oldenburgu. Jednak obliczenie właściwości materiałowych powierzchni jest znacznie trudniejsze niż w przypadku całych kryształów, ponieważ fasety powierzchni często mają złożoną strukturę z powodu takich czynników, jak defekty w strukturze kryształu lub nierównomierny wzrost kryształu – wyjaśnia. Ta złożoność stwarza problemy dla badaczy zajmujących się materiałoznawstwem: „Często nie jest możliwe jednoznaczne określenie właściwości próbek w eksperymentach” – mówi Cocchi. Zmotywowało to Cocchi i jej koleżankę Saßnick do opracowania zautomatyzowanej procedury wysokiej jakości badania przesiewowego właściwości nowych związków. Wynik ich pracy został włączony do programu komputerowego aim2dat, który jako dane wejściowe wymaga jedynie składu chemicznego związku. Informacje o strukturze kryształu pobierane są z istniejących baz danych. Następnie oprogramowanie oblicza warunki, w jakich powierzchnia materiału jest stabilna chemicznie. W drugim etapie określa kluczowe właściwości, w szczególności energię potrzebną do wzbudzenia elektronów do stanu przewodzenia lub odłączenia się od powierzchni. Parametr ten odgrywa ważną rolę np. w materiałach przetwarzających energię słoneczną na energię elektryczną. „W naszych obliczeniach nie przyjmujemy żadnych założeń; używamy tylko podstawowych równań mechaniki kwantowej, dlatego nasze wyniki są bardzo wiarygodne” – wyjaśnia Cocchi. Obaj naukowcy wykazali możliwość zastosowania metody wykorzystującej półprzewodnikowy tellurek cezu. Kryształy tego materiału, który jest wykorzystywany jako źródło elektronów w akceleratorach cząstek, mogą występować w czterech różnych postaciach. „Skład i jakość próbek materiału trudno kontrolować w eksperymentach” – zauważa Saßnick. Niemniej jednak badaczom z Oldenburga udało się przeprowadzić szczegółową analizę właściwości fizycznych różnych konfiguracji kryształów tellurku cezu. Cocchi i Saßnick umieścili oprogramowanie w publicznie dostępnej bibliotece programów, dzięki czemu inni badacze również mogą korzystać i ulepszać tę procedurę. „Nasza metoda ma ogromny potencjał jako narzędzie do odkrywania nowych materiałów – w szczególności ciał stałych złożonych fizycznie i strukturalnie – do wszelkiego rodzaju zastosowań w sektorze energetycznym” – mówi Cocchi.
- Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
- PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
- PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
- PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
- Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
- Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64945.php
