20 июля 2021 года Автор отзыва: Алекс Смит

Исследователи разработали новую математическую модель, которая позволяет предсказывать даже небольшие изменения в углеродных материалах, открывая путь к захватывающим свойствам.

Прорыв был совершен исследователями из Университета Тохоку и их сотрудниками в Японии. Математическая модель способна описать основные эффекты изменений геометрии углеродных материалов и предсказать их особые свойства.

Исследование было опубликовано в журнале Carbon. Исследователи обычно используют математические модели для прогнозирования характеристик, которые могут возникнуть, когда материал подвергается определенным изменениям.

Например, изменение геометрии трехмерного (3D) графена, который образован сеткой атомов углерода, химической обработкой или введением топологических дефектов может помочь улучшить его каталитические свойства. Однако исследователям было сложно понять точную причину.

Недавно разработанная математическая модель, известная как «Стандартная реализация с отталкивающим взаимодействием» (SRRI), раскрывает взаимосвязь между этими вариациями и вытекающими из них свойствами. Эта операция выполняется с меньшей вычислительной мощностью по сравнению с теорией функционала плотности (DFT), типичной моделью, используемой для этой цели, но менее точной.

Исследователи использовали модель SRRI, чтобы импровизировать другую существующую модель, продемонстрировав силы притяжения и отталкивания, которые преобладают между соседними атомами в углеродных материалах. Более того, модель SRRI рассматривает два типа кривизны в таких материалах, а именно среднюю кривизну и местную кривизну.

Исследовательскую группу возглавлял Мотоко Котани, математик из Университета Тохоку. Они использовали свою модель для оценки каталитических свойств, которые проявятся при введении локальной кривизны и примесей в трехмерный графен. Результаты были аналогичны результатам, полученным с помощью модели DFT.

Точность модели SRRI показала качественное согласие с расчетами DFT, и она способна экранировать потенциальные материалы примерно в один миллиард раз быстрее, чем DFT .

Мотоко Котани, ведущий исследователь и математик, Университет Тохоку

Затем исследователи изготовили материал и определили его характеристики с помощью сканирующей электрохимической микроскопии клеток. Этот метод может установить прямую связь между геометрией материала и его каталитической активностью. Он показал, что каталитически активные центры лежат на локальных кривизнах.

Наша математическая модель может использоваться в качестве эффективного инструмента предварительного отбора для исследования новых двумерных и трехмерных углеродных материалов на предмет уникальных свойств перед применением моделирования методом DFT . Это показывает важность математики в ускорении проектирования материалов .

Мотоко Котани, ведущий исследователь и математик, Университет Тохоку

Исследователи надеются использовать свою модель для поиска связей между конструкцией материала и его электронными и механическими транспортными свойствами.

Ссылка на журнал:

Dechant, A., et al. (2021) Геометрическая модель трехмерного изогнутого графена с химическими добавками. Углерод. doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.004.

Источник: http://www.tohoku.ac.jp/en/index.html[19459007provided