Inovasi Tingkat Atom: Taruhan Besar Rice pada Materials 2D Canggih

Boris Yakobson dari Universitas Rice telah menerima lebih dari $4 juta dalam pendanaan federal untuk memajukan penelitian tentang materials 2D, antarmuka dalam materials komposit, dan proses kimia nonequilibrium.

Karyanya bertujuan untuk mengembangkan metode produksi yang lebih baik, memahami perilaku materials dalam kondisi ekstrem, dan mengeksplorasi sintesis materials baru untuk aplikasi dalam teknologi energi dan pertahanan.

Penelitian Materials Canggih di Universitas Rice

Materials canggih merupakan titik inovasi penting bagi bidang-bidang yang penting bagi keamanan nasional seperti energi, pertahanan, aeronautika, dan teknologi kedirgantaraan. Ilmuwan materials Universitas Rice Boris Yakobson telah memenangkan tiga penghargaan dari dua lembaga federal dengan whole $4.140.611 selama beberapa tahun untuk meneliti aspek-aspek yang menantang dari produksi, kinerja, dan dinamika materials canggih.

Penghargaan ini merupakan representasi Rice sebagai situs penelitian ilmu materials yang relevan secara nasional. Yakobson mengatakan ia berharap proyek-proyek tersebut, yang dibangun berdasarkan karya sebelumnya, “menghasilkan penemuan yang benar-benar mengubah cara kita memahami, membuat, dan bekerja dengan materials canggih.”

Boris Yakobson adalah Profesor Teknik Karl F. Hasselmann dan profesor ilmu materials dan rekayasa nano. Kredit: Jeff Fitlow/Rice College

Menjelajahi Teknik Produksi untuk Materials 2D

Sebuah proyek bertajuk “Pemetaan rute sintetis untuk materials 2 dimensi” bertujuan untuk mengungkap mekanisme molekuler yang memungkinkan produksi materials 2D untuk digunakan dalam microchip dan elektronik masa depan dalam skala dan kualitas industri.

Bahan 2D pertama kali diproduksi melalui pengelupasan, atau dengan “mengelupas” atom-lapisan tipis dari kristal tiga dimensi atau massal, tetapi metode produksi ini tidak praktis untuk peningkatan skala. Metode produksi berbasis sintesis kimia bergantung pada pemahaman dan pengendalian reaksi kimia yang tepat yang menghasilkan pertumbuhan lapisan kristal. Sering kali, metode produksi memerlukan transformasi materials dari padat menjadi uap dan kembali ke bentuk padat.

Representasi antarmuka dalam materials komposit. Kredit: Yakobson Analysis Group/Rice College

Peran Dinamika Kuantum dalam Sintesis Materials

“Reaksi padat-uap-padat banyak jumlahnya dan kurang dipahami, dan terobosan ilmiah dalam beberapa contoh utama harus membuka jalan menuju ilmu pengetahuan baru di persimpangan kinetika reaksi fase gasoline, fisika permukaan nonequilibrium, dan struktur kristal yang muncul,” kata Yakobson, yang mengatakan bahwa ia berencana untuk menggunakan metode komputasi untuk mengeksplorasi dinamika molekuler tingkat kuantum awal untuk mengidentifikasi transformasi utama yang mengarah dari prekursor mentah ke perantara jenis dan akhirnya membangun unit-unit yang dirakit menjadi lapisan kristal goal.

“Kami mencoba menjawab pertanyaan seperti apakah kami dapat mempercepat pertumbuhan kristal dengan menambahkan komponen tambahan tanpa mengurangi kualitas produk kami, atau bagaimana kami dapat menciptakan jenis cacat yang diinginkan pada materials hasil produksi kami yang kemudian dapat kami gunakan sebagai pembawa arus, pusat katalitik atau bahan baku tunggal.foton pemancar untuk qubit dalam komputer kuantum,” kata Yakobson.

“Perekat elektronik” menahan kisi atom bahan keramik yang terpapar panas dan radiasi ekstrem, saat ion-ion penyusunnya mengubah muatan dan mobilitasnya. Kredit: Yakobson Analysis Group/Rice College

Arah Strategis dalam Penelitian Sintesis Materials

Membangun pekerjaan sebelumnya pada beberapa materials 2D ikonik seperti grafenamolibdenum disulfida, dan boron nitrida heksagonal, Kelompok Penelitian Yakobson bertujuan untuk menetapkan pendekatan umum terhadap pengembangan mannequin sintesis prediktif untuk perovskit, nitrida, oksida, dan materials lain yang didambakan untuk aplikasi energi dan elektronik.

“Kami juga bertujuan untuk mengotomatiskan pencarian jalur reaksi yang memungkinkan kami untuk mensintesis bahan baru yang sebelumnya tidak diketahui atau menyederhanakan produksi bahan seperti borofenayang sekarang memerlukan teknik yang mahal atau esoteris,” kata Yakobson, yang usulannya untuk mengerjakan materials 2D akan didukung oleh $2.107.997 selama beberapa tahun dari Departemen Energi AS.

Kemajuan dalam Antarmuka Materials Komposit

Yakobson Group juga dianugerahi dana gabungan sebesar $2.032.614 selama empat tahun berikutnya dari Departemen Pertahanan AS untuk dua proyek — satu yang meneliti antarmuka dalam materials komposit dan yang lainnya meneliti perilaku materials energetik dalam kondisi non-keseimbangan ekstrem.

“Salah satu proyek ini meneliti element pada tingkat atom atau molekul tentang bagaimana antarmuka — batas antara komponen mikro dalam campuran padat — merespons beban ekstrem,” kata Yakobson.

Antarmuka memengaruhi kinerja keseluruhan materials komposit, dan properti seperti kekuatan mekanis, ketangguhan, resistivitas listrik, serta stabilitas termal dan korosi sangat penting dalam infrastruktur sipil dan pertahanan serta aplikasi mulai dari jembatan dan rel kereta api hingga kapal selam dan kendaraan antariksa supersonik.

“Kami berencana untuk menggunakan komputasi kimia kuantum mutakhir untuk mengamati antarmuka heterogen guna menentukan bagaimana bahan komposit berkinerja tinggi berperilaku dalam kondisi ekstrem dan bagaimana kami dapat meningkatkan desainnya,” kata Yakobson.

Tantangan dan Inovasi dalam Proses Kimia Nonequilibrium

Proyek kedua yang disponsori DOD akan difokuskan pada pengembangan cara untuk mengukur laju reaksi kimia dan proses lain yang terjadi dalam sistem kompleks dalam keadaan yang jauh dari keseimbangan kimia.

“Sistem yang jauh dari kesetimbangan termodinamika akan menunjukkan variasi spasial atau gradien yang signifikan dalam hal kepadatan energi, komposisi kimia, dan lainnya, sehingga sulit untuk menentukan kecepatan proses,” kata Yakobson. “Hal ini sangat penting untuk diketahui, terutama untuk materials yang berenergi, yang merupakan kelas materials yang luas yang menyimpan sejumlah besar energi kimia.”

Contoh bahan yang berenergi tinggi meliputi bahan peledak, bahan bakar, dan propelan. Dengan memanfaatkan wawasan dari kimia keadaan padat, Yakobson berupaya untuk “memberikan kontribusi” pada minimnya pengetahuan tentang bagaimana reaksi yang dimediasi oleh tekanan dan heterogenitas spasial sistem non-keseimbangan terjadi dalam proses fase gasoline dan cair.

Kesimpulan dan Prospek Masa Depan

“Memanfaatkan teknologi komputasi trendy akan sangat berharga untuk proyek ini,” kata Yakobson. “Kami berharap untuk maju dari sains mendekati keseimbangan yang beroperasi dengan, misalnya, gradien suhu ke dinamika trendy fonon terkuantisasi, vibron, eksiton … dan penggabungannya sebagai perangkat baru untuk menggambarkan permainan energi yang jauh dari keseimbangan.”

Konten dalam siaran pers ini sepenuhnya menjadi tanggung jawab penulis dan belum tentu mewakili pandangan resmi para penyandang dana.