Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
29 магических кластеров и единое кольцо: ученые рассчитали стабильность кристаллических структур нанокластеров сульфидов молибдена
Сотрудники лаборатории компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ перебрали более четырех тысяч структур соединений молибдена и серы в поисках стабильных нанокластеров. Им удалось обнаружить 29 устойчивых вариантов, лишь семь из которых были обнаружены ранее экспериментально. Также исследователи выявили, возможно, наименьшую плоскую наноструктуру Mo-S: метастабильное кольцо из 10 атомов молибдена и 20 атомов серы. Исследование открывает путь к созданию новых катализаторов или компонентов для литий-ионных аккумуляторов на основе идентифицированных нанокластеров.
Молибден и сера интересуют ученых неспроста: оказывается, двумерный слой дисульфида молибдена (MoS₂) способен заменить привычный кремний в электронике будущего. Другое важное направление перехода к наномасштабу — исследование нанокластеров Mo-S. Известные семь устойчивых нанокластеров, полученные экспериментально: Mo3S13, Mo4S6, Mo6S8, Mo9S11, Mo12S14, Mo3S4 и Mo6S4, стали важными ингредиентами в рецепте новых катализаторов и продвинутых литий-ионных батарей. При этом кристаллическая структура наносистем остается сравнительно малоизученной: во-первых, она отличается от структуры объемных аналогов (поэтому свойства нанокластеров и двумерных материалов так необычны), а во-вторых, «не по зубам» экспериментальным методам.
Чтобы справиться с задачей, ученые объединили три мощных инструмента компьютерного моделирования: эволюционный алгоритм (USPEX), способный провести «естественный отбор» среди тысяч вариантов, расчет в рамках теории функционала плотности (метод DFT) и метод машинно-обучаемых потенциалов MTP (Moment Tensor Potentials). Последний использовался в работе для моделирования динамики и стабильности больших нанокластеров (с числом атомов больше 30). Работа опубликована в журнале Nanoscale.
«Поскольку для нанокластеров, состоящих из большого числа атомов, квантово-механические расчеты требуют значительных вычислительных ресурсов, в ходе работы были обучены межатомные потенциалы MTP. С их помощью мы проверили динамическую стабильность монослоев из необычных плоских колец Mo10S20», — рассказал Иван Круглов, заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Физики оценили стабильность кластеров по двум критериям: минимальной энергии (∆min), необходимой для «перестройки» кластера при добавлении или убавлении в него атома молибдена или серы и энергии диссоциации (Ediss), необходимой, чтобы кластер распался. Кластеры, соответствующие обоим критериям, называются магическими. Они обладают оптимальной геометрической формой и распределением электронов внутри, за счет чего становятся значительно стабильнее чуть меньших или чуть больших соседей.
Устойчивый нанокластер обладает высокой минимальной энергией перестройки (ему не выгодно изменять свою кристаллическую структуру) и положительной энергией диссоциации (то есть для того, чтобы он распался, необходимо подвести энергию извне). Этим критериям соответствовал 31 кандидат.
Ученые разбили их на пять групп согласно пропорциям между числом атомов Mo и S: с преобладанием молибдена; примерно равным числом атомов молибдена и серы; с соотношением 1:1,5, 1:2; более значительным преобладанием серы. После расчета их колебательных спектров авторы исключили два динамически нестабильных варианта. Таким образом, исследователи впервые установили структуру 29 устойчивых нанокластеров, из них 22 — впервые. В зависимости от соотношения числа атомов молибдена и серы, в их структуре наблюдались различные закономерности.
Когда число атомов молибдена приблизительно равно числу атомов серы (MonSn), образуется своеобразная трубчатая структура. Молекулы молибдена выстраиваются в трубку, к которой постепенно прикрепляются атомы серы. Важно отметить, что при увеличении количества молибдена ее ширина остается неизменной, а длина возрастает.
Группа MonS1.5n, где на два атома молибдена приходится около трех атомов серы, демонстрирует большее разнообразие: вместо простых трубок появляются пирамидальные и октаэдрические формы, причем атомы серы предпочитают располагаться снаружи, занимая вершины, а атомы молибдена размещаются ближе к центру.
В группе с преобладанием молибдена большая часть устойчивых нанокластеров выглядит довольно похоже: центральная часть состоит из симметрично расположенных атомов молибдена, образуя нечто вроде каркаса, а атомы серы цепляются к нему сверху. Даже единственный стабильный кластер из группы, где преобладает сера, Mo3S13, следует этому правилу. Исключением служит кластер Mo6S4, имеющий пирамидальную структуру. Атомы серы заняли места в углах пирамиды, а атомы молибдена расположились ровно посередине каждой грани. При этом структура кластера Mo4S6 устроена совсем иначе: его форма близка к октаэдру.
Последняя группа, MonS2n, выделяется удивительными структурными мотивами. Здесь формируются структуры, внешне схожие с тонким слоем сульфида молибдена (MoS₂). Поверхность таких нанокластеров напоминает известный материал графен, обладая похожими электронными свойствами и перспективами применения в микроэлектронике и сенсорных технологиях. Но самое интригующее наблюдение касается метастабильного кольца Mo10S20, которое может оказаться самой маленькой плоской структурой молибдена и серы. Динамическую стабильность такого кольца, а также двумерного слоя из него, ученые подтвердили во время молекулярно-динамического моделирования с обученным ранее межатомным потенциалов MTP.
Из таких колец можно сплести двумерную «кольчугу», которая выглядит многообещающим кандидатом на роль новых двумерных материалов с необычными механическими и электронными свойствами.
Полученные исследователями результаты расширяют наше понимание химии нанокластеров и способствуют разработке современных наноматериалов.
Telegram 
Дзен 
VK На юге Африки ученые обнаружили коллекцию небольших каменных стрел. С виду — обычные артефакты древнего человека. Но современные технологии позволили выявить их смертельный секрет. Эти наконечники, которым почти 60 тысяч лет, сохранили следы яда. Авторы нового исследования пришли к выводу, что древние охотники стали использовать яды намного раньше, чем считала наука.
Биологи на примере птиц определили защитную функцию рыжего пигмента феомеланина, который ранее считали бесполезным и даже опасным из-за доказанной связи с развитием меланомы. Организм использовал его синтез для нейтрализации ядовитого избытка цистеина и выводил токсичные запасы серы в перья.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
На юге Африки ученые обнаружили коллекцию небольших каменных стрел. С виду — обычные артефакты древнего человека. Но современные технологии позволили выявить их смертельный секрет. Эти наконечники, которым почти 60 тысяч лет, сохранили следы яда. Авторы нового исследования пришли к выводу, что древние охотники стали использовать яды намного раньше, чем считала наука.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
В Олдувайском ущелье на севере Танзании ученые обнаружили скелет слона возрастом 1,78 миллиона лет, а рядом с ним — необычные для того времени каменные орудия. Авторы нового исследования полагают, что им удалось найти древнейшее место разделки гигантской добычи.
На скалистых берегах аргентинской Патагонии разворачивается настоящая драма. Магеллановы пингвины, долгое время чувствовавшие себя в безопасности на суше в своих многотысячных колониях, столкнулись с новым и беспощадным врагом. Их извечные морские страхи — касатки и морские леопарды — теперь блекнут перед угрозой, пришедшей из глубины материка. Виновник переполоха — грациозный и мощный хищник, недавно вернувшийся на эти земли после долгого изгнания.
Среди самых интригующих открытий космического телескопа «Джеймс Уэбб» — компактные объекты, получившие название «маленькие красные точки». Их видели только в самых дальних уголках Вселенной. Большинство возникло в первый миллиард лет после Большого взрыва, и ученые предполагали, что такие источники представляют собой небольшие компактные галактики. Однако международная команда астрономов пришла к иному выводу. Они предположили, что на самом деле «маленькие красные точки» — черные дыры, окруженные массивной газовой оболочкой.
Ученые задались вопросом: почему два расположенных по соседству спутника Юпитера такие разные, ведь на Ио повсеместно извергаются вулканы, а Европа полностью покрыта многокилометровой коркой льда. Есть версия, что Ио когда-то тоже была богата водой, но по итогам недавнего исследования это сочли неправдоподобным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно