В НИЯУ МИФИ изучили новый 2D-материал при помощи многомасштабного моделирования
Исследователи из НИЯУ МИФИ в составе международного научного коллектива охарактеризовали новый двумерный материал — хлорид никеля. Ранее существование никелевого 2D-материала считалось невозможным.
Работа опубликована в научном журнале Computational Materials Science. Никель часто используется как добавка к графену и другим 2D-материалам: он оседает на их поверхности и проявляет свои каталитические и адсорбционные свойства. Полученные таким способом композиты на основе никеля и других металлов используются, в частности, для получения и хранения водорода, поэтому они находятся в фокусе внимания многих исследователей, сообщил руководитель российской части научного коллектива, профессор кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константин Катин.
«В отличие от этих композитов, постепенно уходящих с переднего края материаловедения в область технологий, NiCl2 содержит никель не в виде добавки, а в качестве основного элемента, поэтому содержание никеля в этом материале очень велико. Таким образом, NiCl2 интересен не только сам по себе, но и как пример никелевого 2D-материала, существование которого ранее казалось невозможным», — рассказал он.
По его словам, несложно сконструировать много подобных гипотетических материалов, и компьютерное моделирование – лучший помощник в таком конструировании. Оно помогает сразу отсечь невозможные или неинтересные варианты, чтобы сконцентрировать усилия на синтезе действительно выдающихся материалов.
«В нашей работе использовался многомасштабный подход. На первом этапе проводились точные квантово-механические расчеты, описывающие взаимодействие атомов в двумерном материале. Далее были найдены математические формулы, точно воспроизводящие межатомное взаимодействие, но не требующие трудоемких квантово-механических расчетов. Применяя их, мы смогли провести длительное молекулярно-динамическое моделирование материала, наблюдать его плавление и другие фазовые переходы», – сообщил Константин Катин.
Исследователи, в частности, обнаружили переходы из 2D в тубулярные (1D) и кластерные (0D) формы. Кроме того, они рассчитали кривую «напряжение-деформация» и исследовали прочность листа.
«NiCl2 не является сверхпрочным материалом, как графен и некоторые другие 2D листы. Его модуль Юнга оказался примерно втрое ниже, чем для известного материала MoS2. Однако катализаторы обычно не испытывают больших механических нагрузок, так что это не помешает его использованию. Температура плавления NiCl2 составляет около 700 К, что достаточно для подавляющего большинства технологических процессов, в которых участвуют 2D-материалы», – отметил ученый.
Материал уже получен учеными, но пока в небольшом количестве, невысоком качестве и в ограниченном числе лабораторий. Его свойства подтверждены экспериментально и продолжают активно исследоваться. По мнению исследователей, предложенный ими многомасштабный подход может служить образцом при исследовании других 2D-материалов. В ближайшее время они планируют найти с его помощью другие интересные 2D-материалы на основе никеля.
