從鋰離子電池到下一代超導(dǎo)體，許多現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的功能取決于稱為插層的物理特性。不幸的是，很難提前確定許多可能的插層材料中哪些是穩(wěn)定的，這需要在產(chǎn)品開發(fā)中進(jìn)行大量的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)室工作。
現(xiàn)在，在最近發(fā)表在《ACSPhysicalChemistryAu》上的一項(xiàng)研究中，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的研究人員及其合作伙伴設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的方程，可以正確預(yù)測(cè)插層材料的穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作提供的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南將加速即將推出的高性能電子和儲(chǔ)能設(shè)備的開發(fā)。
為了欣賞研究團(tuán)隊(duì)的成就，我們需要了解這項(xiàng)研究的背景。插層是將客體(原子或分子)可逆插入主體(例如，二維層狀材料)中。嵌入的目的通常是改變主體的性質(zhì)或結(jié)構(gòu)以提高器件性能，例如在商業(yè)鋰離子電池中所見。
盡管許多合成方法可用于制備插層材料，但研究人員沒有可靠的方法來(lái)預(yù)測(cè)哪些主客體組合是穩(wěn)定的。因此，需要大量的實(shí)驗(yàn)室工作來(lái)設(shè)計(jì)新的插層材料來(lái)賦予下一代器件功能。研究小組的研究目標(biāo)是通過提出一種直接預(yù)測(cè)主客體穩(wěn)定性的工具來(lái)最大程度地減少實(shí)驗(yàn)室工作。
該研究的主要作者NaotoKawaguchi解釋說(shuō)：“我們是第一個(gè)開發(fā)出主客體插層能量和插層化合物穩(wěn)定性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工具的人。”“我們的分析基于9,000種化合物的數(shù)據(jù)庫(kù)，使用了本科一年級(jí)化學(xué)的簡(jiǎn)單原理。”
這項(xiàng)工作的一個(gè)特別亮點(diǎn)是，研究人員的能量和穩(wěn)定性計(jì)算只需要兩個(gè)客體屬性和八個(gè)宿主衍生描述符。換句話說(shuō)，最初的“最佳猜測(cè)”是不必要的;僅主客體系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理。此外，研究人員還根據(jù)近200組回歸系數(shù)驗(yàn)證了他們的模型。
“我們很興奮，因?yàn)槲覀兊幕貧w模型公式很簡(jiǎn)單，而且物理上合理，”資深作者TeruyasuMizoguchi說(shuō)。“文獻(xiàn)中的其他計(jì)算模型缺乏物理基礎(chǔ)或針對(duì)未知嵌入化合物的驗(yàn)證。”
這項(xiàng)工作是在最大限度地減少制備插層材料通常所需的繁重實(shí)驗(yàn)室工作方面向前邁出的重要一步。鑒于許多當(dāng)前和即將推出的能量存儲(chǔ)和電子設(shè)備都依賴于此類材料，相應(yīng)研究和開發(fā)所需的時(shí)間和費(fèi)用將被最小化。因此，具有先進(jìn)功能的產(chǎn)品將比以前更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
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