חוקרים ב-EPFL זיהו ננו-חומרים חד-ממדיים פוטנציאליים, כולל מה שיכול להיות החוט המתכתי הדק ביותר, תוך שימוש בשיטות חישוביות כדי לחקור את התכונות המבניות של למעלה מ-780,000 גבישים. הממצאים שלהם מדגישים 14 חומרים עם שימושים פוטנציאליים במחקרי אלקטרוניקה וקוואנטים. קרדיט: NCCR MARVEL
חוקרי NCCR MARVEL ב-EPFL השתמשו בכלים חישוביים כדי לחפש חומרים 1-D חדשים שניתן לקלף מגבישים תלת מימדיים ידועים, כולל יציב הננו-חוטי המתכתי הדק ביותר ב-0 K שנמצאו עד כה.
חוקרים ב-EPFL השתמשו בכלים חישוביים כדי לחפש חומרים 1-D חדשים שניתן לקלף מגבישים תלת מימדיים ידועים. מתוך רשימה ראשונית של למעלה מ-780,000 גבישים, הם הגיעו לרשימה של 800 חומרים 1-D, מתוכם הם בחרו את 14 המועמדים הטובים ביותר – תרכובות שעדיין לא סונתזו כחוטים ממשיים, אך סימולציות מצביעות על ביצועים. . ביניהם יש את החוט המתכתי CuC2שרשרת ישר המורכבת משני אטומי פחמן ונחושת אחת אָטוֹםהיציב הננו-תיל המתכתי הדק ביותר ב-0 K שנמצא עד כה.
מחקר ננו-חומר
חוקרים מהמעבדה לתיאוריה וסימולציה של חומרים ב-EPFL השתמשו בשיטות חישוביות כדי לזהות מה יכול להיות החוט המתכתי הדק ביותר האפשרי, כמו גם כמה חומרים חד-ממדיים אחרים עם תכונות שיכולות להתברר כמעניינים עבור יישומים רבים.
חומרים חד מימדיים (או 1-D) הם אחד התוצרים המסקרנים ביותר של הננוטכנולוגיה והם עשויים מאטומים המיושרים בצורה של חוטים או צינורות. המאפיינים החשמליים, המגנטיים והאופטיים שלהם הופכים אותם למועמדים מצוינים ליישומים החל ממיקרואלקטרוניקה ועד חיישנים ביולוגיים ועד קטליזה. בעוד שצינורות פחמן הם החומרים שקיבלו את מרבית תשומת הלב עד כה, הם הוכיחו שהם קשים מאוד לייצור ולשליטה, ולכן מדענים להוטים למצוא תרכובות אחרות שניתן להשתמש בהן כדי ליצור ננו-חוטים וננו-צינורות עם תכונות מעניינות באותה מידה, אך קלות יותר. להתמודד.
זיהוי מבנים 1-D
אז קיארה סיגנארלה, דויד קמפי וניקולה מרזארי חשבו להשתמש בהדמיות מחשב כדי לנתח גבישים תלת מימדיים ידועים, בחיפוש אחר אלו שבבסיס המאפיינים המבניים והאלקטרוניים שלהם נראים כאילו ניתן "לקלף אותם" בקלות, ובעצם מתקלפים מהם. מבנה 1-D יציב. אותה שיטה שימשה בהצלחה בעבר ללימוד חומרים דו-ממדיים, אך זהו היישום הראשון למקביליהם הדו-ממדיים.
החוקרים התחילו מאוסף של למעלה מ-780,000 גבישים, שנלקחו ממאגרי מידע שונים שנמצאו בספרות והוחזקו יחדיו על ידי כוחות ואן דר ואלס, סוג של אינטראקציות חלשות המתרחשות כאשר האטומים קרובים מספיק כדי שהאלקטרונים שלהם יחפפו. אחר כך הם יישמו אלגוריתם שבחן את הארגון המרחבי של האטומים שלהם בחיפוש אחר אלה ששילבו מבנים דמויי חוט, וחישבו כמה אנרגיה תהיה נחוצה כדי להפריד את המבנה ה-1-ממדי הזה משאר הגביש.
גילוי החוט המתכתי הדק ביותר
"חיפשנו במיוחד חוטים מתכתיים, שאמורים להיות קשים למצוא כי מתכות דו-ממדיות, באופן עקרוני, לא אמורות להיות יציבות מספיק כדי לאפשר פילינג", אומר Cignarella, המחבר הראשון של המאמר.
בסופו של דבר, הם הגיעו עם רשימה של 800 חומרים 1-D, מתוכם הם בחרו את 14 המועמדים הטובים ביותר – תרכובות שעדיין לא סונתזו כחוטים ממשיים, אבל סימולציות מצביעות על ביצוע. לאחר מכן הם המשיכו לחשב את המאפיינים שלהם בפירוט רב יותר, כדי לוודא עד כמה הם יהיו יציבים ואיזו התנהגות אלקטרונית יש לצפות מהם.
ממצאים פורצי דרך במחקר Nanowire
ארבעה חומרים – שתי מתכות ושתי מתכות למחצה – בלטו כמעניינים ביותר. ביניהם יש את החוט המתכתי CuC2, שרשרת קו ישר המורכבת משני אטומי פחמן ואטום נחושת אחד, הננו-תיל המתכתי הדק ביותר היציב ב-0 K שנמצא עד כה. "זה באמת מעניין כי לא היית מצפה שחוט של אטומים ממשי לאורך קו בודד יהיה יציב בשלב המתכתי", אומר סיגנארלה. המדענים גילו שניתן לקלף אותו משלושה גבישי אב שונים, כולם ידועים מניסויים (NaCuC2KCuC2 ו-RbCuC2). הוא דורש מעט אנרגיה כדי להפיק מהם, וניתן לכופף את השרשרת שלו תוך שמירה על התכונות המתכתיות שלו, מה שיהפוך אותו למעניין עבור אלקטרוניקה גמישה.
חומרים מעניינים נוספים שנמצאו במחקר, שמתפרסם ב ACS Nano, כוללים את חצי מתכת Sb2Te2, שבגלל תכונותיו עשוי לאפשר לחקור מצב אקזוטי של חומר שנחזה לפני 50 שנה אך מעולם לא נצפה, הנקרא מבודדים אקציטוניים, אחד מאותם מקרים נדירים שבהם תופעות קוונטיות נראות בקנה מידה מקרוסקופי. ואז יש Ag2Se2עוד חצי מתכת, ו-TaSe3תרכובת ידועה שהיא היחידה שכבר עברה פילינג בניסויים כננו-חוט, ושהמדענים השתמשו בה כאמת מידה.
השלכות וכיווני מחקר עתידיים
באשר לעתיד, Cignarella מסבירה שהקבוצה רוצה לצוות עם ניסויים כדי לסנתז את החומרים, תוך המשך מחקרים חישוביים כדי לראות כיצד הם מעבירים מטענים חשמליים וכיצד הם מתנהגים בטמפרטורות שונות. שני הדברים יהיו בסיסיים כדי להבין איך הם יפעלו ביישומים בעולם האמיתי.
