A Structural Map of Potential Correlated Electron Molecular Orbital Materials

In de solide wereld van de materiaalkunde rangschikken atomen zich gewoonlijk in enorme, herhalende patronen waar elektronen vrij ronddwalen, elektriciteit geleiden of licht reflecteren. Maar soms groepeert de natuur atomen in compacte, afzonderlijke clusters, zoals een klein gezin dat in een drukke stad woont. In deze gezinnen gedragen de elektronen zich anders. In plaats van onafhankelijk te bewegen, interageren ze zo sterk met elkaar dat ze "gecorreleerd" raken, wat exotische toestanden van materie creëert die kunnen fungeren als isolatoren, magneten of zelfs supergeleiders. Decennialang zijn wetenschappers deze zeldzame materialen één voor één tegengekomen, waarbij ze elk als een unieke curiositeit hebben behandeld. Ze waren als geïsoleerde eilanden in een uitgestrekte oceaan, moeilijk in kaart te brengen en nog moeilijker te voorspellen. De uitdaging was om een manier te vinden om deze oceaan systematisch te navigeren, om de regels te begrijpen die bepalen hoe deze atomische families ontstaan en welke eigenschappen zij kunnen bezitten.

Een team onderzoekers aan de Indiana University heeft nu de eerste uitgebreide kaart van dit gebied getekend. Ze ontwikkelden een nieuwe digitale tool, die ze de "Cluster Finder" noemen, om door tienduizenden bekende chemische verbindingen te scannen en de verbindingen te identificeren die deze speciale atomische families bevatten. Hun doel was niet alleen om ze te vinden, maar ook om de specifieke geometrie van deze clusters en hun ruimtelijke ordening te begrijpen. Door 34.548 verschillende verbindingen te analyseren, identificeerden de onderzoekers 2.627 stabiele of bijna stabiele materialen die deze geïsoleerde clusters bevatten. Deze enorme dataset transformeert een veld dat ooit een verzameling verspreide casestudy's was naar een gestructureerd landschap, wat een startpunt biedt voor de ontdekking van een nieuwe klasse kwantummaterialen met een breed scala aan potentiële eigenschappen.

De onderzoekers begonnen door hun computerprogramma te leren de vorm van deze atomische families te herkennen. In een vast materiaal zijn atomen dicht op elkaar gepakt, maar het programma zoekt naar groepen overgangsmetalen die aanzienlijk dichter bij elkaar staan dan bij hun buren. Zodra een groep wordt gevonden, berekent de software de vorm en symmetrie ervan, vergelijkbaar met het identificeren of een groep mensen in een perfecte driehoek, een lijn of een vierkant staat. Ze ontdekten dat deze clusters in veel verschillende maten voorkomen, van paren atomen tot groepen van acht, en dat ze in diverse symmetrische patronen kunnen worden gevormd. Sommige clusters zitten alleen in het materiaal, terwijl andere ketens of lagen vormen. Het team bracht ook het "sub-rooster" in kaart, wat het onzichtbare raster is dat gevormd wordt door de centra van deze clusters, om te zien of het materiaal zich gedraagt als een driedimensionaal blok, een plat vlak of een dunne draad.

Een van de meest significante ontdekkingen in dit werk is dat het vreemde elektronische gedrag van deze materialen niet door één enkele oorzaak komt. Lange tijd dachten wetenschappers dat smalle energiebanden — waarbij elektronen op hun plaats vastzitten in plaats van vrij te stromen — ofwel werden veroorzaakt doordat de elektronen binnen de cluster gevangen zaten, ofwel door de frustratie van het omliggende atomische rooster. De onderzoekers ontdekten dat beide mechanismen tegelijkertijd kunnen optreden. In sommige materialen zijn de elektronen inderdaad gevangen binnen de cluster en gedragen ze zich als een molecuul. In andere gevallen worden de elektronen beïnvloed door de cluster, maar ook door de manier waarop het gehele kristalrooster gedraaid en gefrustreerd is. In een paar gevallen vertoont het materiaal een combinatie van beide, waarbij de cluster en het rooster samenwerken om deze smalle banden te creëren. Deze dubbele oorsprong betekent dat men, om een materiaal echt te begrijpen, zowel naar de lokale familie van atomen als naar de bredere buurt moet kijken waarin zij leven.

De studie onthulde ook dat de grootte en vorm van de cluster niet willekeurig zijn; ze hangen zwaar af van hoeveel elektronen beschikbaar zijn om de atomaire orbitalen te vullen. Bijvoorbeeld, bepaalde metalen geven er de voorkeur aan om driehoekige groepen te vormen wanneer ze een specifiek aantal elektronen hebben, terwijl anderen lijnen of vierkanten vormen. De onderzoekers merkten op dat als een materiaal te veel of te weinig elektronische correlatie heeft, de delicate moleculaire structuur kan instorten, wat leidt tot andere gedragingen. Dit begrip helpt verklaren waarom sommige materialen stabiel zijn en andere niet. Bovendien identificeerde het team een groot aantal materialen die clusters met gemengde metalen bevatten, waarbij verschillende soorten metaalatomen dezelfde familie delen. Dit opent nieuwe mogelijkheden om de eigenschappen van het materiaal af te stemmen door de mix van metalen te veranderen, vergelijkbaar met het aanpassen van de ingrediënten in een recept om de smaak te veranderen.

Buiten de fysica verbonden de onderzoekers hun bevindingen aan praktische toepassingen, met name voor energieopslag. Ze ontdekten dat veel van deze clustermaterialen compatibel zijn met elektrochemische doping, een proces waarbij ionen zoals lithium of natrium in het materiaal kunnen worden ingevoegd om de eigenschappen ervan te veranderen. Dit is cruciaal voor batterijtechnologie, aangezien het suggereert dat deze materialen gebruikt kunnen worden om batterijen te creëren die niet alleen efficiënt zijn, maar ook in staat zijn om tussen verschillende magnetische of elektronische toestanden te schakelen. Het team identificeerde 1.590 materialen in hun dataset die potentieel gebruikt kunnen worden in batterijen, waarvan er 470 specifieke gegevens bevatten over hoe ze zouden kunnen presteren. Deze link tussen de fundamentele structuur van de clusters en hun vermogen om energie op te slaan en af te geven, biedt een nieuw pad voor het ontwerpen van betere systemen voor energieopslag.

Om deze overvloed aan informatie toegankelijk te maken voor andere wetenschappers, bouwde het team een interactieve website genaamd de "Cluster Explorer". Dit platform stelt iedereen in staat om door de database te bladeren, de 3D-structuren van de clusters te visualiseren en hun symmetrie en potentiële eigenschappen te bekijken. Het bevat instrumenten om te voorspellen hoe het materiaal zich in een batterij zou gedragen of hoe de elektronen zich zouden bewegen. Door dit open dataset en de software die werd gebruikt om het te creëren te verstrekken, hebben de onderzoekers de wetenschappelijke gemeenschap een krachtige set hulpmiddelen gegeven om dit nieuwe gebied te verkennen. Ze zijn verder gegaan dan het simpelweg vinden van deze materialen; ze hebben een kader geboden om ze te begrijpen, te classificeren en uiteindelijk nieuwe materialen met specifieke, gewenste eigenschappen te ontwerpen.

Het werk daagt ook enkele langgekoesterde aannames in het vakgebied uit. Zo werd voorheen gedacht dat als metaalatomen dicht genoeg bij elkaar zaten, ze automatisch geïsoleerde moleculaire orbitalen zouden vormen. De onderzoekers toonden aan dat dit niet altijd waar is; zelfs wanneer atomen zeer dicht bij elkaar staan, kan de omliggende chemische omgeving de vorming van deze speciale toestanden voorkomen. Dit betekent dat het kijken naar de afstand tussen atomen alleen niet voldoende is om het gedrag van een materiaal te voorspellen. In plaats daarvan moet men rekening houden met het elektronenaantal, de symmetrie van de cluster en de sterkte van de interacties tussen de elektronen. Dit meer genuanceerde beeld is essentieel voor het correct identificeren van welke materialen de exotische kwantumeffecten zullen vertonen waar wetenschappers naar op zoek zijn.

Uiteindelijk vertegenwoordigt dit artikel een verschuiving van het zoeken naar naalden in een hooiberg naar het bouwen van een kaart van het hele veld. Door duizenden materialen systematisch te identificeren en te classificeren, hebben de onderzoekers een chaotische verzameling geïsoleerde voorbeelden omgezet in een samenhangend lichaam van kennis. Ze hebben aangetoond dat de eigenschappen van deze materialen niet toevallig zijn, maar het resultaat zijn van specifieke regels die bepalen hoe atomen zich groeperen en hoe elektronen binnen die groepen interageren. Deze helderheid opent de deur naar een nieuw tijdperk van ontdekkingen, waarbij wetenschappers materialen met precisie kunnen ontwerpen, gericht op specifieke kwantumgedragingen voor gebruik in computers, energie en meer. De kaart is nu getekend, en de reis om deze nieuwe kwantummaterialen te verkennen is pas net begonnen.