从锂离子电池到下一代超导体，许多现代先进技术的功能取决于被称为插层的物理特性。不幸的是，很难提前确定许多可能的插层材料中哪些是稳定的，这需要在产品开发中进行大量的试错实验室工作。
现在，在最近发表在《ACS Physical Chemistry Au》上的一项研究中，东京大学工业科学研究所的研究人员及其合作伙伴设计了一个简单的方程，可以正确预测插层材料的稳定性。这项工作提供的系统设计指南将加速即将推出的高性能电子和储能设备的开发。
为了欣赏研究团队的成就，我们需要了解这项研究的背景。插层是将客体(原子或分子)可逆插入主体(例如，二维层状材料)中。嵌入的目的通常是改变主体的性质或结构以提高器件性能，例如在商用锂离子电池中所见。尽管许多合成方法可用于制备插层材料，但研究人员没有可靠的方法来预测哪些主客体组合是稳定的。因此，需要大量的实验室工作来设计新的插层材料来赋予下一代器件功能。研究小组的研究目标是通过提出一种直接预测主客体稳定性的工具来最大程度地减少实验室工作。
该研究的主要作者 Naoto Kawaguchi 解释说：“我们是第一个开发出主客体插层能量和插层化合物稳定性的准确预测工具的人。” “我们的分析基于 9,000 种化合物的数据库，使用了本科一年级化学的简单原理。”
这项工作的一个特别亮点是，研究人员的能量和稳定性计算只需要两个客体属性和八个宿主衍生描述符。换句话说，最初的“最佳猜测”是不必要的;仅主客体系统的基础物理。此外，研究人员还针对近 200 组回归系数验证了他们的模型。
“我们很兴奋，因为我们的回归模型公式很简单，而且物理上合理，”资深作者 Teruyasu Mizoguchi 说。 “文献中的其他计算模型缺乏物理基础或针对未知嵌入化合物的验证。”
这项工作是在最大限度地减少制备插层材料通常所需的繁重实验室工作方面向前迈出的重要一步。鉴于许多当前和即将推出的能量存储和电子设备都依赖于此类材料，相应研究和开发所需的时间和费用将被最小化。因此，具有先进功能的产品将比以前更快地进入市场。
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