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KI hilft, übersehene 2D-Materialien aufzuspüren und neue herzustellen
Verborgene Materialschätze: Eine KI-gestützte Suche in Kristalldatenbanken hat 33 bislang übersehene Kandidaten für die ultradünne Materialfamilie der MXene ans Licht gebracht. Angeregt durch diese Funde wurden elf neue Verbindungen mit Seltenerdmetallen hergestellt. Ein selbstständig weiterlaufendes Hochtemperaturverfahren könnte die Fertigung solcher Schichtmaterialien zudem erheblich vereinfachen.
Linköping (Schweden). Manche Werkstoffe stehen seit Jahrzehnten in Fachveröffentlichungen, ohne dass ihr Aufbau einer heute bekannten Materialfamilie zugeordnet wurde. Gerade bei zweidimensionalen Materialien könnten solche übersehenen Funde eine Abkürzung auf der Suche nach neuen Eigenschaften bieten.
MXene sind extrem dünne Schichtmaterialien auf Basis von Metallcarbiden oder Metallnitriden, deren Oberflächen chemisch vielseitig veränderbar sind. Ihre Struktur macht sie etwa für Energiespeicher, Katalyse und Abschirmfolien gegen elektromagnetische Strahlung interessant. Allerdings benötigen viele bisherige Herstellungsverfahren aufwendige Verarbeitungsschritte und teils aggressive Ätzchemikalien.
Forscher der Linköping University (LiU) um Ali Saffar Shamshirgar haben nun zwei große Datenbanken für Kristallstrukturen mit maschinellem Lernen untersucht. Das Verfahren suchte nach atomaren Schichtmustern, die zu MXenen passen, auch wenn die Stoffe ursprünglich anders eingeordnet worden waren. Die Auswertung ergab 33 bislang übersehene Kandidaten aus älteren Materialberichten.
Diese 33 Funde sind nicht mit ebenso vielen neu isolierten atomdünnen Folien gleichzusetzen. Zunächst handelt es sich um bereits dokumentierte mehrlagige Kristallstrukturen, die zur MXen-Familie passen könnten und sich nun gezielt weiter untersuchen lassen.
„Die Literatur und die Datenbanken sind Schatzkammern, man muss nur den Deckel öffnen und sehen, was darin ist“, erklärt Prof. Johanna Rosén von der Linköping University (LiU).
Bei der Wiederentdeckung blieb es nicht. Aufbauend auf den Hinweisen hat das Team elf zuvor nicht untersuchte MXene hergestellt, in denen Seltenerdmetalle wie Praseodym, Neodym, Samarium, Gadolinium, Terbium, Holmium und Thulium vorkommen. Damit wächst die chemische Vielfalt einer Materialfamilie, die bislang vor allem für ihre elektrischen Eigenschaften bekannt war.
Messungen und Modellrechnungen deuten bei den neuen Verbindungen auf halbleitendes Verhalten und unterschiedliche magnetische Zustände hin. Welche Varianten sich später für Datenspeicher, Elektronik oder andere Geräte eignen, ist damit allerdings noch nicht geklärt.
Die Entdeckungen waren zugleich Ausgangspunkt für eine andere Art der Herstellung. Sieben mehrlagige MXene ließen sich mit einer selbstfortschreitenden Hochtemperaturreaktion direkt synthetisieren. Nach einer kurzen Zündung läuft die Reaktion ohne dauernde externe Wärmezufuhr weiter und ist laut veröffentlichter Studie innerhalb weniger Minuten abgeschlossen.
Bei verbreiteten Verfahren werden aus geeigneten Vorläuferkristallen bestimmte Atomlagen chemisch herausgelöst, teils mithilfe gefährlicher Ätzmittel. Die neue direkte Synthese könnte Verarbeitungsschritte und den Verbrauch von Wasser sowie belastenden Chemikalien verringern. Ob sich diese Vorteile auch bei einer industriellen Herstellung in großen Mengen bestätigen, ist noch offen.