К сожалению, сложно заранее определить, какие из множества возможных интеркалированных материалов являются стабильными, что приводит к необходимости проведения большого количества лабораторных исследований методом проб и ошибок при разработке продукта.

Теперь, в исследовании, недавно опубликованном в журнале ACS Physical Chemistry Au, ученые из Института промышленных наук Токийского университета и их партнеры разработали простое уравнение, которое правильно предсказывает стабильность интеркалированных материалов. Систематическое руководство по проектированию, созданное в результате этой работы, ускорит разработку новой высокопроизводительной электроники и устройств для хранения энергии.

Чтобы оценить достижения исследовательской группы, необходимо понять контекст этого исследования. Интеркаляция — это обратимое введение гостей (атомов или молекул) в хозяев (например, двумерные слоистые материалы). Целью интеркаляции обычно является изменение свойств или структуры носителя для улучшения характеристик устройства, как это наблюдается, например, в коммерческих литий-ионных батареях.

Хотя существует множество синтетических методов для приготовления интеркалированных материалов, у исследователей не было надежных способов предсказать, какие комбинации хозяин-гость будут стабильными. Поэтому для разработки новых интеркалированных материалов для придания им функциональности устройств нового поколения приходится проводить много лабораторных работ. Минимизировать эту работу, предложив простой инструмент прогнозирования стабильности хозяина-гостя, и было целью исследования группы ученых.

Мы впервые разработали точные инструменты прогнозирования энергии интеркаляции хозяин-гость и стабильности интеркалированных соединений, — объясняет Наото Кавагучи, ведущий автор исследования.

Наш анализ, основанный на базе данных из 9000 соединений, использует простые принципы из курса химии для студентов первого курса.

Особым преимуществом работы является то, что для расчетов энергии и стабильности исследователям потребовалось всего два свойства гостя и восемь дескрипторов, полученных от хозяина. Другими словами, первоначальные «лучшие догадки» не требовались; только базовая физика систем „хозяин-гость“. Кроме того, исследователи проверили свою модель с помощью почти 200 наборов коэффициентов регрессии.

Мы очень рады, потому что формулировка нашей регрессионной модели проста и физически обоснована, — говорит Теруясу Мизогучи, старший автор работы.

Другие вычислительные модели в литературе не имеют физической основы и не проверяются на неизвестных интеркалированных соединениях.

Эта работа — важный шаг вперед в деле минимизации трудоемкой лабораторной работы, которая обычно требуется для приготовления интеркалированных материалов. Учитывая, что многие современные и перспективные устройства для хранения энергии и электроники зависят от таких материалов, время и средства, необходимые для соответствующих исследований и разработок, будут сведены к минимуму. Следовательно, продукты с расширенными функциональными возможностями будут выходить на рынок быстрее, чем это было возможно ранее.