Dokładniej rzecz ujmując, autorzy badań w tej sprawie wyznaczyli 2531 obiecujących kandydatów spośród ponad 24 tysięcy znanych struktur krystalicznych. Odkrycie może znacząco poszerzyć możliwości badań nad materiałami 2D i przyspieszyć poszukiwanie nowych rozwiązań dla elektroniki czy energetyki.
Czytaj też: Materiał z piekła rodem powstał w zaskakujących warunkach. Jak Japończycy oszukali temperaturę?
Materiały dwuwymiarowe nie od dziś znajdują się w centrum zainteresowania naukowców. Przyciągają ich uwagę ze względu na swoje wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne. Od czasu uzyskania grafenu w 2004 roku badacze intensywnie poszukiwali kolejnych substancji, które w postaci pojedynczych warstw atomowych mogłyby znaleźć zastosowanie w nowoczesnych technologiach. Ich niewielka grubość sprawia, że mogą wykazywać właściwości elektroniczne, magnetyczne i chemiczne odmienne od tych obserwowanych w materiałach trójwymiarowych.
Dotychczas większość znanych materiałów 2D pozyskiwano z tzw. kryształów van der Waalsa. Ich struktura przypomina książkę, ponieważ składa się z warstw połączonych stosunkowo słabymi oddziaływaniami, dzięki czemu można je stosunkowo łatwo rozdzielać. Znacznie większym wyzwaniem są kryształy niewarstwowe, w których atomy tworzą przestrzenną sieć połączoną silnymi wiązaniami chemicznymi. W ich przypadku przewidzenie, czy możliwe jest wydzielenie stabilnej warstwy dwuwymiarowej, było dotąd trudne.
Podstawą działania nowej strategii jest wskaźnik XCP (eXfoliation and Cleavage Potential), który umożliwia określenie potencjału danego materiału do tworzenia struktur dwuwymiarowych. Model uwzględnia skład chemiczny kryształu oraz odległości między atomami, aby precyzyjnie oszacować siłę występujących między nimi wiązań. Następnie dwa algorytmy analizują strukturę materiału. Pierwszy poszukuje płaszczyzn, wzdłuż których kryształ można najłatwiej rozdzielić. Drugi stopniowo usuwa najsłabsze wiązania, identyfikując pozostałe fragmenty o charakterze dwuwymiarowym. Co istotne, opisywana metoda uwzględnia również nierówne, atomowo złożone powierzchnie rozdzielenia.
Jak dodają autorzy, przeprowadzenie szczegółowych obliczeń struktury elektronowej dla każdej możliwej powierzchni byłoby niezwykle czasochłonne. XCP pozwala natomiast szybko analizować duże zbiory danych, a kosztowne obliczenia wykonywać dopiero dla najbardziej obiecujących materiałów. Szczegóły na ten temat są dostępne w Nature Communications, a wstępne wnioski okazują się wyjątkowo optymistyczne. Bo skoro już teraz udało się zidentyfikować ponad 2500 obiecujących kandydatów, to bez wątpienia przyjęta strategia ma sens.
Czytaj też: Zapomniany materiał sprzed lat skrywa strukturę mogącą odmienić przyszłość technologii
Tym bardziej, iż analiza wykazała, że w przypadku wytypowanych struktur skład chemiczny pozostaje niezmieniony podczas oddzielania warstw, a proporcje sił wiązań sprzyjają powstawaniu struktur dwuwymiarowych. Dalsze badania potwierdziły potencjał wielu z nich. Większość charakteryzowała się stosunkowo niską energią eksfoliacji, a liczne struktury wykazywały stabilność dynamiczną i termodynamiczną. Są to istotne warunki, które zwiększają szanse na ich praktyczne wykorzystanie.
Najbardziej przydatne mogą okazać się zmiany właściwości elektronicznych zachodzące podczas przejścia od struktury trójwymiarowej do dwuwymiarowej. Obliczenia wskazują między innymi na materiały, które w postaci kryształów zachowują się jak półprzewodniki, natomiast po rozdzieleniu na cienkie warstwy mogą uzyskiwać właściwości metaliczne. W innych przypadkach może pojawić się bezpośrednia przerwa energetyczna, potencjalnie przydatna w urządzeniach optoelektronicznych. Nie mniej ważna jest grupa kandydatów o właściwościach magnetycznych. Mogą one w przyszłości znaleźć zastosowanie w spintronice, czyli dziedzinie wykorzystującej spin elektronów do przetwarzania i przechowywania informacji.
Źródło: Nature Communications
