一種基于物理的預(yù)測工具可加速電池和超導(dǎo)體研究

從鋰離子電池到下一代超導(dǎo)體，許多現(xiàn)代先進技術(shù)的功能取決于稱為插層的物理特性。不幸的是，很難提前確定許多可能的插層材料中哪些是穩(wěn)定的，這需要在產(chǎn)品開發(fā)中進行大量的試錯實驗室工作。

現(xiàn)在，在最近發(fā)表在《ACSPhysicalChemistryAu》上的一項研究中，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的研究人員及其合作伙伴設(shè)計了一個簡單的方程，可以正確預(yù)測插層材料的穩(wěn)定性。這項工作提供的系統(tǒng)設(shè)計指南將加速即將推出的高性能電子和儲能設(shè)備的開發(fā)。

為了欣賞研究團隊的成就，我們需要了解這項研究的背景。插層是將客體(原子或分子)可逆插入主體(例如，二維層狀材料)中。嵌入的目的通常是改變主體的性質(zhì)或結(jié)構(gòu)以提高器件性能，例如在商業(yè)鋰離子電池中所見。

盡管許多合成方法可用于制備插層材料，但研究人員沒有可靠的方法來預(yù)測哪些主客體組合是穩(wěn)定的。因此，需要大量的實驗室工作來設(shè)計新的插層材料來賦予下一代器件功能。研究小組的研究目標(biāo)是通過提出一種直接預(yù)測主客體穩(wěn)定性的工具來最大程度地減少實驗室工作。

該研究的主要作者NaotoKawaguchi解釋說：“我們是第一個開發(fā)出主客體插層能量和插層化合物穩(wěn)定性的準(zhǔn)確預(yù)測工具的人。”“我們的分析基于9,000種化合物的數(shù)據(jù)庫，使用了本科一年級化學(xué)的簡單原理。”

這項工作的一個特別亮點是，研究人員的能量和穩(wěn)定性計算只需要兩個客體屬性和八個宿主衍生描述符。換句話說，最初的“最佳猜測”是不必要的;僅主客體系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理。此外，研究人員還根據(jù)近200組回歸系數(shù)驗證了他們的模型。

“我們很興奮，因為我們的回歸模型公式很簡單，而且物理上合理，”資深作者TeruyasuMizoguchi說。“文獻中的其他計算模型缺乏物理基礎(chǔ)或針對未知嵌入化合物的驗證。”

這項工作是在最大限度地減少制備插層材料通常所需的繁重實驗室工作方面向前邁出的重要一步。鑒于許多當(dāng)前和即將推出的能量存儲和電子設(shè)備都依賴于此類材料，相應(yīng)研究和開發(fā)所需的時間和費用將被最小化。因此，具有先進功能的產(chǎn)品將比以前更快地進入市場。

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