Projekt badawczy dotyczy obliczeniowego przewidywania właściwości nowych dwuwymiarowych materiałów

Materiały dwuwymiarowe (2DM) są uważane za szczególnie obiecujące w rozwoju zaawansowanych materiałów do zastosowań w technologii energetycznej, elektronice i biotechnologii. Opracowanie nowych syntetycznych 2DM było celem Collaborative Research Centre (CRC) 1415 „Chemia syntetycznych materiałów dwuwymiarowych”, które zostało uruchomione w lipcu 2020 roku. Pod kierownictwem partnera-założyciela CASUS, Uniwersytet Techniczny w Dreźnie, projekt poczynił tak duże postępy, że Niemiecka Fundacja Badawcza (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG) przedłużyła finansowanie na kolejne cztery lata. Eksperci CASUS byli w znacznym stopniu zaangażowani w propozycję kontynuacji projektu i będą teraz częścią SFB. Oznacza to, że zespół z Görlitz będzie mógł wykorzystać znaczną część kwoty finansowania w wysokości około 10 milionów euro na rozwój własnych badań nad 2DM.

DFG jest samorządową organizacją finansującą badania naukowe w Niemczech. Wykorzystuje ona procedury konkursowe do wspierania projektów badawczych, które są proponowane przez samą społeczność naukową. „Ten sukces jest szczególnie ważny dla CASUS, ponieważ jest to program finansowania oparty wyłącznie na nauce” – mówi prof. Thomas D. Kühne, dyrektor CASUS i lider zespołu badawczego. „Po raz pierwszy badania CASUS zostały sfinansowane z funduszy DFG”.

Oprócz samego Kühne oraz prof. Thomasa D. Heine (profesora wizytującego CASUS) i PD dr Agnieszki B. Kuc (lidera grupy CASUS), dwóch innych naukowców z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dr Arkady Krasheninnikov i dr Rico Friedrich, skorzystają z udziału w CRC poprzez zwiększenie rozpoznawalności i widoczności w niemieckiej społeczności naukowej. W drugiej fazie projektu CRC 1415 „Chemia syntetycznych materiałów dwuwymiarowych” bierze udział pięciu naukowców z HZDR i ich zespoły:

  • dr Rico Friedrich, młodszy kierownik grupy badawczej „Termodynamika materiałów autonomicznych”
  • prof Thomas D. Heine, profesor wizytujący CASUS
  • dr Arkady Krasheninnikov, lider grupy HZDR „Atomistyczna symulacja zjawisk indukowanych jonami”
  • PD dr Agnieszka B. Kuc, lider grupy CASUS „Chemia teoretyczna”
  • prof Thomas D. Kühne, lider grupy CASUS „Teoria układów złożonych”

Decyzja o kontynuacji SFB 1415 została ogłoszona pod koniec maja. DFG sfinansuje łącznie jedenaście nowych SFB i dwadzieścia dwa istniejące SFB w całych Niemczech przez jeden okres finansowania. SFB umożliwiają realizację innowacyjnych, ambitnych i długoterminowych projektów badawczych w ramach sieci i mają na celu wspieranie rozwoju punktów centralnych i struktur na uniwersytetach ubiegających się o dofinansowanie.

Nanomateriały jak żadne inne

2DM to klasa nanomateriałów, które składają się z jednej lub nawet dziesięciu warstw materiału. Na poziomie atomowym lub molekularnym charakteryzują się one silnie zarysowaną strukturą. Unikalne właściwości elektroniczne, magnetyczne i katalityczne takich warstwowych 2DM wynikają z silnego wiązania w jednej warstwie i tylko stosunkowo słabych interakcji między warstwami. Badania koncentrują się na różnych obszarach zastosowań. Trafnym przykładem są 2DM jako nowe fotokatalizatory do rozszczepiania wody na wodór i tlen, między innymi. Nowe 2DM mogą być również wykorzystywane jako materiały poprawiające różne właściwości baterii i ogniw paliwowych.

Interdyscyplinarne konsorcjum CRC „ Chemia syntetycznych materiałów dwuwymiarowych”, które rozpocznie prace nad fazą 2 w październiku 2024 r., będzie wówczas składać się z 24 naukowców. Celem jest produkcja nowych syntetycznych 2DM o wysokiej dokładności strukturalnej. Kolejnym celem jest opracowanie metod in-situ i ex-situ do charakteryzowania materiałów. Zespół CASUS zajmuje się przede wszystkim trzecim tematem programu badawczego: opisem i wyjaśnieniem zjawisk chemicznych i fizycznych 2DM za pomocą aktualnych metod obliczeniowych i modeli teoretycznych, a także przewidywaniem wytwarzania 2DM.

„W ciągu ostatnich czterech lat w CRC zdobyliśmy rozległą wiedzę specjalistyczną w zakresie tworzenia i dalszego rozwoju nowych metod syntezy nieorganicznych, organicznych i hybrydowych 2DM” – wyjaśnia rzecznik CRC prof. Xinliang Feng z Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie. „Popchnęliśmy do przodu rozwój nowych metod charakteryzacji i dostosowanie istniejących do specjalnych cech 2DM oraz ustanowiliśmy eksperymentalnie i teoretycznie połączone metody badania zależności struktura-właściwości w 2DM”.

„W ciągu najbliższych czterech lat opracujemy nowe metody obliczeniowe, aby móc symulować 2DM na dużą skalę w CASUS. Wykorzystane zostaną do tego uczenie maszynowe i wysokowydajne metody obliczeniowe” – dodaje Kühne. „Cel jest jasny: Ustalając jeszcze więcej zależności między strukturą a właściwościami, możemy przewidzieć in silico kandydatów na nowe 2DM, które mają pewne z góry określone właściwości”.

Informacja o Centrum Badań Zaawansowanego Rozumienia Systemów

Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) zostało założone w 2019 roku w Görlitz i prowadzi intensywne interdyscyplinarne badania systemów w takich dziedzinach jak badania systemów ziemskich, biologia systemów czy badania materialów. Celem CASUS jest tworzenie cyfrowych obrazów złożonych systemów o niespotykanym dotąd odzwierciedleniu i rzeczywistości za pomocą innowacyjnych metod, począwszy od matematyki, poprzez teoretyczne badania systemów, symulacje danych, a skończywszy na informatyce w celu udzielenia odpowiedzi na niecierpiące zwłoki pytania dot. społeczństw. Partnerzy założycielscy są Centrum Helmholtz Drezno-Rossendorf (HZDR), Centrum Badań nad Środowiskiem Helmholtz w Lipsku (UFZ), Instytut Biologii Molekularnej i Genetyki Maxa Plancka w Dreźnie (MPI-CBG), Uniwersytet Techniczny w Dreźnie (TUD)Uniwersytet Wrocławski (UWr). Centrum CASUS, zarządzane jako instytut HZDR, jest finansowane przez Niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) oraz Saksońskie Ministerstwo Nauki, Kultury i Turystyki (SMWK).

Dwie różne warstwy 2DM ułożone jedna na drugiej: Każda warstwa składa się zarówno z atomów metali przejściowych (fioletowe i zielone kule), jak i niektórych atomów z grupy tlenu (żółte i pomarańczowe kule). Efektem takiej kombinacji warstw jest to, że elektrony (e-) znajdują się w jednej z warstw, ale dziury, z których pochodzą elektrony (h+), pozostają w drugiej warstwie. Im dłużej takie przestrzenne separacje e- i h+ mogą być utrzymywane, tym lepiej, ponieważ wtedy więcej zastosowań technicznych jest w zasięgu ręki, na przykład w urządzeniach ekscytonicznych, optoelektronicznych, valleytronicznych lub fotonicznych.