Durch den Einsatz künstlicher Intelligenz hat eine Untersuchung von 5,5 Millionen Verbindungen Hunderte von Oberflächen identifiziert, die ihre Elektronen sehr stark oder sehr schwach festhalten können. Dies zeigt, welches Potenzial dieses Ergebnis für die Elektronik und die Batterien der Zukunft haben könnte.
Um die Bedeutung dieses Ergebnisses zu verstehen, muss man betrachten, was an der Oberfläche eines Materials geschieht. Ein Elektron kann sie nicht immer leicht verlassen. Dafür muss ihm eine bestimmte Energiemenge zugeführt werden. Diese hängt insbesondere vom Material und davon ab, wie seine Atome an der Oberfläche angeordnet sind.
Ein niedriger Wert erleichtert das Austreten der Elektronen. Ein hoher Wert hält sie stärker fest. Diese Eigenschaft spielt in zahlreichen elektronischen Bauteilen, bestimmten Systemen zur Energieumwandlung und bei chemischen Reaktionen an Oberflächen eine Rolle. Die Suche nach Materialien an den Extremen kann daher neue Wege für die Entwicklung neuartiger Geräte eröffnen.
Millionen von Kandidaten mit den präzisesten Berechnungsmethoden zu testen, würde allerdings enorme Computerressourcen erfordern. Jun Meng und seine Kollegen gingen daher schrittweise vor. Ihr System beginnt mit einem schnellen KI-Modell für maschinelles Lernen und reserviert die aufwendigen physikalischen Berechnungen für Kandidaten, die eine gründlichere Überprüfung verdienen.
Das Modell berücksichtigt auch den Grad seiner Unsicherheit. Konkret kann eine als unzuverlässig eingestufte Vorhersage mit einer präziseren Methode überprüft werden, anstatt sie einfach zu akzeptieren. Die Forschenden wendeten dieses Auswahlverfahren auf 5,5 Millionen Verbindungen aus den Datenbanken GNoME und Alexandria an.
Das Screening identifizierte 209 Oberflächen mit einer Austrittsarbeit von weniger als 2,0 Elektronenvolt. Sie entsprechen 136 verschiedenen Materialien. Am anderen Ende überschreiten 227 Oberflächen 6,0 Elektronenvolt; sie verteilen sich auf 172 Materialien.
Einige Ergebnisse folgen bereits bekannten chemischen Trends. So finden sich Oberflächen, die mit Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen abschließen, häufig unter denjenigen, die ihre Elektronen leichter freisetzen. Noch interessanter ist, dass die Analyse auch weniger übliche Kombinationen entdeckte, darunter lanthanoidreiche Oberflächen mit besonders niedrigen Werten.
Als Nächstes sollen die vielversprechendsten Kandidaten experimentell untersucht werden. Ihre Stabilität, ihre Herstellung und ihr tatsächliches Verhalten müssen überprüft werden. Die Arbeit der Forschenden liefert vor allem eine Methode, um eine Liste mit mehreren Millionen Möglichkeiten schnell zu verkleinern, bevor Experimente und aufwendige Berechnungen auf wenige Materialien konzentriert werden.