Ilmuwan Menempa Kawat Logam Tertipis di Dunia Dari Atom Tembaga dan Karbon
Para peneliti di EPFL mengidentifikasi potensi bahan nano unidimensi, termasuk kawat logam tertipis, menggunakan metode komputasi untuk mempelajari sifat struktural lebih dari 780.000 kristal. Temuan mereka menyoroti 14 materials yang berpotensi digunakan dalam bidang elektronik dan studi kuantum. Kredit: NCCR MARVEL
Peneliti NCCR MARVEL di EPFL telah menggunakan alat komputasi untuk mencari materials 1-D baru yang dapat dikelupas dari kristal tiga dimensi yang diketahui, termasuk kawat nano metalik tertipis yang stabil pada 0 Ok yang ditemukan sejauh ini.
Para peneliti di EPFL telah menggunakan alat komputasi untuk mencari materials 1-D baru yang dapat dikelupas dari kristal tiga dimensi yang diketahui. Dari daftar awal lebih dari 780.000 kristal, mereka menghasilkan daftar 800 bahan 1-D, yang darinya mereka memilih 14 kandidat terbaik – senyawa yang belum disintesis sebagai kabel sebenarnya, namun simulasi menunjukkan hal yang layak. . Diantaranya adalah kawat logam CuC2rantai garis lurus yang terdiri dari dua atom karbon dan satu tembaga atomkawat nano metalik tertipis yang stabil pada 0 Ok yang ditemukan sejauh ini.
Penelitian Bahan Nano
Para peneliti dari Laboratorium Teori dan Simulasi Materials di EPFL telah menggunakan metode komputasi untuk mengidentifikasi kawat logam yang paling tipis, serta beberapa materials unidimensi lainnya dengan sifat yang terbukti menarik untuk banyak aplikasi.
Bahan unidimensi (atau 1-D) adalah salah satu produk nanoteknologi yang paling menarik dan terbuat dari atom-atom yang disejajarkan dalam bentuk kabel atau tabung. Sifat listrik, magnet, dan optiknya menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk aplikasi mulai dari mikroelektronika, biosensor, hingga katalisis. Meskipun tabung nano karbon adalah bahan yang paling banyak mendapat perhatian sejauh ini, namun terbukti sangat sulit untuk diproduksi dan dikendalikan, sehingga para ilmuwan sangat ingin menemukan senyawa lain yang dapat digunakan untuk membuat kawat nano dan tabung nano dengan sifat yang sama menariknya, namun lebih mudah. untuk menangani.
Mengidentifikasi Struktur 1-D
Jadi Chiara Cignarella, Davide Campi, dan Nicola Marzari berpikir untuk menggunakan simulasi komputer untuk mengurai kristal tiga dimensi yang diketahui, mencari kristal yang – berdasarkan sifat struktural dan elektroniknya – terlihat mudah “terkelupas”, pada dasarnya terkelupas darinya. struktur 1-D yang stabil. Metode yang sama telah berhasil digunakan di masa lalu untuk mempelajari materi 2-D, namun ini adalah penerapan pertama pada materi 1-D.
Para peneliti memulai dari kumpulan lebih dari 780.000 kristal, diambil dari berbagai database yang ditemukan dalam literatur dan disatukan oleh gaya van der Waals, semacam interaksi lemah yang terjadi ketika atom berada cukup dekat sehingga elektronnya saling tumpang tindih. Kemudian mereka menerapkan algoritma yang mempertimbangkan organisasi spasial atom-atomnya, mencari atom-atom yang memiliki struktur seperti kawat, dan menghitung berapa banyak energi yang diperlukan untuk memisahkan struktur 1-D tersebut dari sisa kristal.
Menemukan Kawat Logam Tertipis
“Kami secara khusus mencari kabel logam, yang seharusnya sulit ditemukan karena logam 1-D, pada prinsipnya, tidak cukup stabil untuk memungkinkan terjadinya pengelupasan kulit”, kata Cignarella, penulis pertama makalah ini.
Pada akhirnya, mereka menghasilkan daftar 800 bahan 1-D, yang darinya mereka memilih 14 kandidat terbaik – senyawa yang belum disintesis sebagai kabel sebenarnya, namun simulasi menunjukkan hal yang mungkin dilakukan. Mereka kemudian melanjutkan untuk menghitung propertinya secara lebih rinci, untuk memverifikasi seberapa stabilnya dan perilaku elektronik apa yang diharapkan darinya.
Temuan Terobosan dalam Penelitian Nanowire
Empat materials – dua logam dan dua semi-logam – menonjol sebagai yang paling menarik. Diantaranya adalah kawat logam CuC2, rantai garis lurus yang terdiri dari dua atom karbon dan satu atom tembaga, kawat nano logam tertipis yang stabil pada 0 Ok yang ditemukan sejauh ini. “Ini sangat menarik karena Anda tidak akan mengharapkan kawat atom sepanjang satu garis stabil dalam fase logam”, kata Cignarella. Para ilmuwan menemukan bahwa ia dapat terkelupas dari tiga kristal induk yang berbeda, semuanya diketahui dari percobaan (NaCuC2KCuC2 dan RbCuC2). Dibutuhkan sedikit energi untuk mengekstraksinya, dan rantainya dapat ditekuk dengan tetap mempertahankan sifat logamnya, yang membuatnya menarik untuk elektronik fleksibel.
Materi menarik lainnya ditemukan dalam penelitian yang dipublikasikan di ACS Nano, termasuk Sb semi-logam2Te2, yang karena sifatnya memungkinkan untuk mempelajari keadaan materi eksotik yang diprediksi 50 tahun lalu tetapi tidak pernah diamati, disebut isolator eksitonik, salah satu kasus langka di mana fenomena kuantum terlihat pada skala makroskopis. Lalu ada Ag2Ya2semi-logam lainnya, dan TaSe3senyawa terkenal yang merupakan satu-satunya senyawa yang telah terkelupas dalam eksperimen sebagai kawat nano, dan digunakan oleh para ilmuwan sebagai patokan.
Implikasi dan Arah Penelitian Masa Depan
Mengenai masa depan, Cignarella menjelaskan bahwa kelompok tersebut ingin bekerja sama dengan para peneliti untuk benar-benar mensintesis materials, sambil melanjutkan studi komputasi untuk melihat bagaimana materials tersebut mengangkut muatan listrik dan bagaimana perilakunya pada suhu yang berbeda. Kedua hal tersebut akan menjadi hal mendasar untuk memahami bagaimana kinerjanya dalam aplikasi dunia nyata.
Referensi: “Mencari Kawat Logam Tertipis” oleh Chiara Cignarella, Davide Campi dan Nicola Marzari, 7 Juni 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c12802
