La "scatola nera" della chimica dei precursori è stata aperta
Dalla congettura al controllo predittivo: decodificare la chimica dei precursori metallo-organici
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Un team di scienziati guidati dall'Istituto Paul Drude per l'Elettronica allo Stato Solido (PDI) di Berlino ha aperto la "scatola nera" della chimica dei precursori, rivelando per la prima volta i percorsi di reazione nascosti di un composto chiave utilizzato nella crescita di ossidi complessi. La loro struttura predittiva sposta la sintesi da un processo per tentativi ed errori a un processo controllabile e trasparente, aprendo la strada a una produzione più rapida, precisa ed economica di film sottili avanzati.

Dalle congetture al controllo predittivo: Decodificare la chimica dei precursori metallo-organici
PDI / npj Comput. Mater.
I precursori metallo-organici (MO) sono i mattoni chimici alla base di materiali ossidi complessi di precisione atomica. Tuttavia, nelle tecniche di deposizione in fase di vapore come MOCVD, ALD e hybrid-MBE, sono stati a lungo trattati come una "scatola nera": le loro reazioni sono state poco comprese e spesso liquidate come "un'altra manopola da regolare".
Un nuovo studio, recentemente accettato per la pubblicazione su npj Computational Materials, cambia questa situazione. Combinando la meccanica quantistica ad alta intensità di calcolo con l'efficienza di ReaxFF e la metadinamica, i ricercatori hanno mappato il paesaggio completo delle reazioni dell'isopropossido di titanio (TTIP), un precursore comune per la crescita di ossidi complessi. Il team ha rivelato le fasi nascoste, i potenziali ostacoli e i percorsi dei sottoprodotti, trasformando la chimica dei precursori MO in un processo più prevedibile e controllabile.
"I precursori metallo-organici sono i cavalli di battaglia della crescita degli ossidi complessi", ha dichiarato l'autore principale Nadire Nayir, responsabile del gruppo di scienza computazionale dei materiali della PDI. La comprensione dei loro percorsi di reazione consente un'incorporazione precisa degli elementi, abbassa le temperature di evaporazione e migliora il controllo della composizione e della stechiometria del materiale". Ma la vera sfida", ha spiegato l'esperta, "sta nella complessità delle reazioni. Le molecole si diramano in percorsi multipli: alcune danno prodotti utili, altre finiscono in sottoprodotti metastabili o in vicoli ciechi. Questi possono rallentare o addirittura bloccare il processo. Per decenni, i chimici hanno lottato per prevedere quali percorsi avrebbero avuto successo".
Nayir ha sottolineato la dedizione dei talentuosi e autodidatti dottorandi del team - Benazir Yalcin Fazlioglu (co-consigliato da Roman Engel-Herbert e Adri van Duin) e Cem Sanga (consigliato da Nayir) - nell'affrontare questa sfida. Gli sforzi del team hanno portato allo sviluppo di un quadro multifisico che, a differenza dei modelli precedenti, unisce le forze motrici termodinamiche e i vincoli cinetici, consentendo previsioni affidabili in sistemi complessi al di là della portata dei modelli di equilibrio. "Questa strategia ci permette di comprendere ed eventualmente controllare reazioni che prima erano opache", ha detto Nayir. "Come ha osservato Harald Schäfer 50 anni fa, 'senza la conoscenza dei percorsi di reazione, non è possibile controllarli o sfruttarli'. Ora possiamo anticipare i risultati delle reazioni e perfezionare i nostri modelli in tempo reale".
La collaborazione è stata fondamentale: le simulazioni sono state condotte alla PDI con il contributo della Penn State e della Istanbul Technical University. "Una delle parti più entusiasmanti di questo progetto è stato il dialogo costante con gli sperimentatori, che è stato fondamentale per plasmare e perfezionare il nostro modello", ha aggiunto l'autrice, riconoscendo a Roman Engel-Herbert, direttore della PDI e leader degli sforzi sperimentali sull'h-MBE, il merito delle sue preziose discussioni e della sua guida.
Engel-Herbert ha sottolineato l'impatto di questa collaborazione: "Prima di questo lavoro, il processo era una sorta di scatola nera. Lavorare a stretto contatto con il team di simulazione ci ha permesso di pensare ai nostri esperimenti in modo diverso. Ora possiamo vedere il paesaggio di reazione, compresi gli intermedi metastabili e i percorsi senza uscita, il che ci aiuta a progettare strategie di sintesi più intelligenti". Questo progetto evidenzia il potere del dialogo tra teoria e sperimentazione, che ci permette di vedere i problemi con gli occhi dell'altro".
Il progetto ha anche coltivato giovani talenti. Grazie agli sforzi di sensibilizzazione della PDI, il laureando in fisica Irem Erpay dell'Università Tecnica di Istanbul ha dato un contributo significativo alla ricerca, dimostrando che la scienza ad alto impatto non si limita al lavoro di dottorato.
Aprendo la scatola nera della chimica dei precursori, il team sta gettando le basi per una produzione di nanomateriali più efficiente, prevedibile e scalabile. "Questa è solo la punta dell'iceberg", ha detto Nayir. "Il nostro obiettivo finale è passare dalla chimica per tentativi ed errori alla sintesi predittiva, con uno sviluppo più rapido dei materiali, meno sprechi e un controllo atomico preciso: un passo importante verso una produzione di film sottili efficiente e affidabile".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.