p Novos materiais 2-D têm potencial para transformar tecnologias, com aplicativos de células solares a smartphones e eletrônicos vestíveis, explica Can Ataca da UMBC, professor assistente de física. Esses materiais consistem em uma única camada de átomos unidos em uma estrutura cristalina. Na verdade, eles são tão finos que uma pilha de 10 milhões deles teria apenas 1 milímetro de espessura. E às vezes, Ataca diz, menos é mais. Alguns materiais 2-D são mais eficazes e eficientes do que materiais semelhantes, que são muito mais espessos. p Apesar de suas vantagens, Contudo, Os materiais 2-D são atualmente difíceis e caros de fazer. Isso significa que os cientistas que estão tentando criá-los precisam fazer escolhas cuidadosas sobre como investem seu tempo, energia, e fundos em desenvolvimento.

p Nova pesquisa de Daniel Wines, Ph.D. candidato em física, e Ataca dá a esses cientistas as informações de que precisam para realizar pesquisas de alto impacto neste campo. Seu trabalho teórico fornece informações confiáveis ​​sobre quais novos materiais podem ter propriedades desejáveis ​​para uma gama de aplicações e podem existir de forma estável na natureza. Em um artigo recente publicado em Materiais e interfaces aplicados da ACS, eles usaram técnicas de modelagem de computador de ponta para prever as propriedades de materiais 2-D que ainda não foram feitos na vida real.

p "Normalmente, estamos tentando ficar cinco ou mais anos à frente dos experimentalistas, "diz Wines. Dessa forma, eles podem evitar becos sem saída caros. "Está na hora, esforço, e dinheiro para que possam se concentrar em outras coisas. "

p A combinação perfeita

p O novo artigo enfoca a estabilidade e as propriedades de materiais 2-D chamados nitretos do grupo III. Estas são misturas de nitrogênio e um elemento do grupo III da tabela periódica, que inclui alumínio, gálio, índio, e boro.

p Os cientistas já fizeram alguns desses materiais 2-D em pequenas quantidades. Em vez de olhar para as misturas de um dos elementos do grupo III com nitrogênio, Contudo, Vinhos e ligas modeladas por Ataca - misturas incluindo nitrogênio e dois elementos diferentes do grupo III. Por exemplo, eles previram as propriedades de materiais feitos principalmente de alumínio, mas com um pouco de gálio adicionado, ou principalmente gálio, mas com um pouco de índio adicionado.

p Esses materiais "intermediários" podem ter propriedades intermediárias que podem ser úteis em certas aplicações. "Ao fazer essa liga, nós podemos dizer, Eu tenho luz laranja, mas tenho materiais que podem absorver luz vermelha e luz amarela, "Ataca diz." Então, como posso misturar isso para que ele possa absorver a luz laranja? "Ajustar as capacidades de absorção de luz desses materiais poderia melhorar a eficiência dos sistemas de energia solar, por exemplo.

p Ligas do futuro

p Ataca e Wines também analisaram as propriedades elétricas e termoelétricas dos materiais. Um material tem capacidade termoelétrica se pode gerar eletricidade quando um lado está frio e o outro está quente. Os nitretos básicos do grupo III têm propriedades termoelétricas, "mas em certas concentrações, as propriedades termoelétricas das ligas são melhores do que os nitretos básicos do grupo III, "Ataca diz.

p Vinhos acrescenta, "Essa é a principal motivação de fazer a liga - a sintonia das propriedades."

p Eles também mostraram que nem todas as ligas seriam estáveis ​​na vida real. Por exemplo, as misturas de alumínio e boro em qualquer concentração não eram estáveis. Contudo, cinco proporções diferentes de misturas de gálio-alumínio eram estáveis.

p Uma vez que a produção de nitretos básicos do grupo III se torna mais confiável e é ampliada, Wines e Ataca esperam que os cientistas trabalhem na engenharia dos materiais para aplicações específicas usando seus resultados como um guia.

p De volta ao básico ... com supercomputadores

p Wines e Ataca modelaram as propriedades dos materiais usando supercomputadores. Em vez de usar dados experimentais como entrada para seus modelos, "Estamos usando os fundamentos da mecânica quântica para criar essas propriedades. Portanto, a parte boa é que não temos nenhum viés experimental, "Ataca diz." Estamos trabalhando em coisas que não têm nenhuma evidência experimental antes. Portanto, esta é uma abordagem confiável. "

p Para obter os resultados mais precisos, é necessário um grande poder de computação e muito tempo. A execução de seus modelos com o nível de precisão mais alto pode levar vários dias.

p "É como contar uma história, "Wines diz." Passamos pelo nível mais básico para filtrar os materiais, "o que leva apenas cerca de uma hora." E então vamos para os níveis mais altos de precisão, usando os computadores mais poderosos, para encontrar os parâmetros mais precisos possíveis. "

p "Acho que a parte bonita desses estudos é que começamos com o básico e literalmente atingimos o nível mais preciso em nosso campo, "Ataca acrescenta." Mas sempre podemos pedir mais. "

p Uma nova fronteira

p Eles continuaram avançando em território científico desconhecido. Em um jornal diferente, publicado dentro de uma semana após o primeiro em Materiais e interfaces aplicados ACS , Theodosia Gougousi, professor de física; Jaron Kropp, Ph.D. '20, física; e Ataca demonstrou uma maneira de integrar materiais 2-D em dispositivos reais.

p Os materiais 2-D geralmente precisam ser conectados a um circuito eletrônico dentro de um dispositivo. Uma camada intermediária é necessária para fazer essa conexão - e a equipe encontrou uma que funcione. "Temos uma molécula que pode fazer isso, que pode fazer uma conexão com o material, a fim de usá-lo para aplicações de circuitos externos, "Ataca diz.

p Esse resultado é muito importante para a implementação de materiais 2-D. "Este trabalho combina pesquisa experimental fundamental sobre os processos que ocorrem na superfície de cristais atômicos 2-D com avaliação computacional detalhada do sistema, "Gougousi diz." Ele fornece orientação para a comunidade de dispositivos para que eles possam integrar com sucesso novos materiais em arquiteturas de dispositivos tradicionais. "

p Colaboração entre disciplinas

p As análises teóricas para este trabalho aconteceram no laboratório de Ataca, e os experimentos aconteceram no laboratório de Gougousi. Kropp trabalhou em ambos os grupos.

p "O projeto exemplifica a sinergia necessária para o desenvolvimento e o avanço da ciência e da tecnologia, "Diz Gougousi." É também um grande exemplo das oportunidades que nossos alunos de pós-graduação têm de trabalhar em problemas de grande interesse tecnológico, e desenvolver uma ampla base de conhecimento e um conjunto único de habilidades técnicas. "

p Kropp, quem é o primeiro autor do segundo artigo, está emocionado por ter tido essa experiência de pesquisa.

p "Os semicondutores 2-D são empolgantes porque têm potencial para aplicações em dispositivos eletrônicos não tradicionais, como eletrônicos vestíveis ou flexíveis, já que eles são tão finos, ", diz ele." Tive a sorte de ter dois excelentes conselheiros, porque isso me permitiu combinar o trabalho experimental e teórico perfeitamente. Espero que os resultados deste trabalho possam ajudar outros pesquisadores a desenvolver novos dispositivos baseados em materiais 2-D. ”