От литий-ионных батарей до сверхпроводников нового поколения — функциональность многих современных передовых технологий зависит от физического свойства, известного как интеркаляция. К сожалению, сложно заранее определить, какие из многих возможных интеркалированных материалов стабильны, что требует большого количества лабораторных работ методом проб и ошибок при разработке продукта.

Теперь в исследовании , недавно опубликованном в журнале ACS Physical Chemistry Au, исследователи из Института промышленных наук Токийского университета и сотрудничающие партнеры разработали простое уравнение, которое правильно предсказывает стабильность интеркалированных материалов. Систематические рекомендации по проектированию, ставшие возможными благодаря этой работе, ускорят разработку будущей высокопроизводительной электроники и устройств хранения энергии.

Чтобы оценить достижения исследовательской группы, нам необходимо понять контекст этого исследования. Интеркаляция — это обратимое внедрение гостей (атомов или молекул) в хозяева (например, двумерные многослойные материалы). Целью интеркаляции обычно является изменение свойств или структуры хоста для улучшения производительности устройства, как это видно, например, в коммерческих литий-ионных батареях .

Хотя доступно множество синтетических методов получения интеркалированных материалов, у исследователей не было надежных способов предсказать, какие комбинации хозяин-гость являются стабильными. Поэтому потребовалась большая лабораторная работа для разработки новых интеркалированных материалов для придания функциональности устройствам следующего поколения. Целью исследования исследовательской группы было сведение к минимуму этой лабораторной работы за счет предложения простого инструмента прогнозирования стабильности между хостом и гостем.

«Мы первые, кто разработал точные инструменты прогнозирования энергии интеркаляции хозяин-гость и стабильности интеркалированных соединений», — объясняет Наото Кавагути, ведущий автор исследования. «Наш анализ, основанный на базе данных из 9000 соединений, использует простые принципы химии на первом курсе бакалавриата».

Особым моментом работы является то, что для расчетов энергии и стабильности исследователям потребовались только два гостевых свойства и восемь дескрипторов, полученных от хоста. Другими словами, первоначальные «наилучшие предположения» не были необходимы; только основная физика систем хост-гость. Кроме того, исследователи проверили свою модель на основе почти 200 наборов коэффициентов регрессии.

«Мы воодушевлены тем, что формулировка нашей регрессионной модели проста и физически разумна», — говорит Теруясу Мизогути, старший автор. «Другим вычислительным моделям в литературе не хватает физической основы или проверки на соответствие неизвестным интеркалированным соединениям».

Эта работа является важным шагом вперед в минимизации трудоемкой лабораторной работы, которая обычно требуется для приготовления интеркалированных материалов. Учитывая, что многие нынешние и будущие устройства хранения энергии и электронные устройства зависят от таких материалов, время и затраты, необходимые для соответствующих исследований и разработок, будут сведены к минимуму. Следовательно, продукты с расширенными функциональными возможностями выйдут на рынок быстрее, чем это было возможно ранее.