در جستجوی مواد بسیار نازک با استفاده از دیتا ماینینگ

مواد دو بعدی (2 بعدی) دارای خواص فوق العاده ای هستند. آنها معمولاً از لایه‌های اتمی تشکیل شده‌اند که فقط چند نانومتر ضخامت دارند و برای مثال در رسانش گرما و الکتریسیته خوب هستند. در شگفتی بسیاری از دانشمندان، اخیراً مشخص شد که مواد دو بعدی نیز می توانند بر اساس اکسیدهای فلزی خاصی وجود داشته باشند. این اکسیدها در زمینه‌هایی مانند کاربردهای نانوالکترونیک بسیار مورد توجه هستند. یک تیم تحقیقاتی آلمانی-آمریکایی، به رهبری Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)، اکنون موفق به پیش بینی بیست و هشت نماینده از این کلاس جدید از مواد با استفاده از روش های داده محور شده است.

تفاوت اساسی بین مواد دو بعدی معمولی مانند گرافن و مواد جدیدی که می توانند از اکسیدهای فلزی مانند ایلمنیت و کرومیت سنتز شوند، وجود دارد. دومی‌ها برهم‌کنش‌های ضعیفی را در ساختار کریستالی خود ایجاد نمی‌کنند – آنچه به عنوان نیروهای واندروالس شناخته می‌شوند، بلکه پیوندهای یونی قوی‌تری را تشکیل می‌دهند که در همه جهات قرار دارند. به همین دلیل، تاکنون تنها چند آزمایش موفق به جدا کردن مواد دو بعدی جدید از بلوک‌های مواد سه بعدی شده‌اند. نتایج مطالعه اکنون می تواند منجر به موفقیت در آزمایش های بیشتر از این نوع شود. با استفاده از روش‌های نظری، دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که کدام ترکیبات واقعاً برای تحقیقات تجربی ارزشمند هستند.

با روش مبتنی بر داده، ما بر اساس اولین اطلاعات موجود از آزمایش‌های اولیه ساخته شدیم. از این اطلاعات، نمونه‌های اولیه ساختاری را توسعه دادیم و سپس آنها را از طریق یک پایگاه داده عظیم مواد به عنوان یک معیار فیلتر اجرا کردیم. چالش اصلی این بود که بفهمیم چرا این مواد سیستم‌های دوبعدی را به راحتی با اکسیدهای خاص تشکیل می‌دهند. از این اطلاعات، ما توانستیم یک معیار جستجوی تعمیم یافته معتبر ایجاد کنیم و بتوانیم به طور سیستماتیک نامزدهای شناسایی شده را با توجه به ویژگی های آنها مشخص کنیم.”

برای این منظور، محققان در درجه اول از آنچه به عنوان “نظریه تابعی چگالی” شناخته می شود، استفاده کردند، یک روش محاسباتی عملی برای ساختارهای الکترونیکی که به طور گسترده در شیمی کوانتومی و در فیزیک ماده چگال استفاده می شود. آنها با چندین مرکز داده آلمانی با کارایی بالا برای مراحل محاسباتی لازم همکاری کردند. یک عامل تعیین کننده، تعیین انرژی لایه برداری بود: این تعیین می کند که چقدر انرژی باید برای حذف یک لایه دو بعدی از سطح یک ماده صرف شود.

پایگاه داده مواد با تقریباً 3.5 میلیون ورودی

این مطالعه همچنین از پایگاه داده مواد AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery) استفاده کرد. بیش از بیست سال است که توسط پروفسور استفانو کورتارولو از دانشگاه دوک (ایالات متحده آمریکا) که به عنوان نویسنده این مطالعه مشارکت داشته است، در حال توسعه است. AFLOW به عنوان یکی از بزرگترین پایگاه های اطلاعاتی علم مواد در نظر گرفته می شود و تقریباً 3.5 میلیون ترکیب را با بیش از 700 میلیون ویژگی محاسبه شده مواد طبقه بندی می کند.

همراه با نرم افزار مرتبط، پایگاه داده در نهایت نه تنها ترکیب شیمیایی بیست و هشت ماده دارای قابلیت 2 بعدی را در اختیار محققان قرار داد، بلکه آنها را قادر ساخت تا خواص آنها را مطالعه کنند، که از نظر الکترونیکی و مغناطیسی و همچنین توپولوژیکی قابل توجه است. به گفته Rico Friedrich، ساختارهای سطح مغناطیسی خاص آن‌ها می‌تواند آنها را برای کاربردهای اسپینترونیک، مانند ذخیره‌سازی داده در رایانه‌ها و گوشی‌های هوشمند، جذاب کند.

فیزیکدان درسدن با نگاهی به آینده می گوید: “من مطمئن هستم که می توانیم مواد دو بعدی دیگری از این نوع پیدا کنیم.” “با تعداد کافی نامزد، شاید حتی یک پایگاه داده اختصاصی را بتوان کاملاً تخصصی در این کلاس جدید از مواد ایجاد کرد.” دانشمندان HZDR در تماس نزدیک با همکاران یک مرکز تحقیقات مشترک مرتبط با موضوع (Sonderforschungsbereich) در TU Dresden و همچنین با گروه تحقیقاتی پیشرو برای سنتز سیستم‌های دو بعدی جدید در ایالات متحده هستند. به همراه هر دو شریک، آنها قصد دارند مطالعات بیشتری را در مورد امیدوارکننده ترین ترکیبات دنبال کنند.

– این بیانیه مطبوعاتی در اصل در وب سایت Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf منتشر شده است.