Uma varredura de alto rendimento de composições possíveis para uma nova classe de materiais conhecida como MXenes fornece aos pesquisadores uma direção inestimável para escolher o melhor candidato entre milhões de receitas de materiais possíveis. O estudo de simulação por pesquisadores do Instituto A * STAR de Computação de Alto Desempenho é um avanço significativo no campo de MXenes, que têm potencial empolgante em aplicações de armazenamento de energia de próxima geração.

Os materiais bidimensionais (2-D) são uma classe relativamente nova de materiais que exibem uma ampla gama de propriedades incomuns associadas à sua capacidade de restringir o movimento dos elétrons e da energia em um plano 2-D. As ligas MXene são uma classe descoberta muito recentemente de materiais 2-D, que poderia consistir em qualquer um dos milhões de arranjos possíveis de metais de transição (como molibdênio ou titânio), carbono e nitrogênio. Essas características são refletidas no nome 'MXene' - o 'M' representa átomos de metal, o 'X' denota carbono e nitrogênio, enquanto o sufixo 'ene' sinaliza a estrutura atômica 2-D dos materiais.

"Como os MXenes são novos, ainda há muito a aprender sobre sua estrutura e propriedades, "diz Teck Leong Tan da A * STAR." Como as ligas MXene são formadas pela mistura de diferentes tipos de elementos de transição em diferentes composições, as possibilidades de liga em MXenes são enormes. Portanto, desenvolvemos um método computacional de alto rendimento para prever as estruturas prováveis ​​e as fases estáveis ​​de diferentes ligas de MXene em todas as faixas de composição e temperaturas. "

Embora existam muitas composições de ligas MXene possíveis, a maioria não será estável. O desafio enfrentado pelos cientistas de materiais é como varrer com eficiência o grande número de configurações de ligas para identificar aquelas com a menor energia de formação e, portanto, a maior estabilidade. As abordagens convencionais de cálculo de 'primeiros princípios' são computacionalmente intensivas para que tal varredura seja viável.

"Nossa abordagem usa o que é chamado de método de expansão de cluster para 'aprender' as interações eficazes entre os átomos, permitindo assim uma avaliação rápida das energias de formação de milhões de estruturas de ligas MXene, "diz Tan.

A varredura, conduzido em colaboração com a Drexel University nos EUA, revelou que MXenes à base de molibdênio misturado com vanádio, tântalo, nióbio ou titânio, parecem formar as estruturas ordenadas mais estáveis. O titânio, entretanto, tende a formar estruturas ordenadas "assimétricas" estáveis ​​que antes não eram consideradas viáveis.

"Nossa varredura nos permite prever as estruturas das ligas MXene que ainda não foram fabricadas e estimar a probabilidade de sua fabricação do ponto de vista da termodinâmica. E para ligas MXene conhecidas, nossas estruturas previstas são consistentes com os resultados experimentais. "