Tahminden Tahmine Dayalı Kontrole: Metal-Organik Öncü Kimyasının Kodunu Çözmek

Metal-organik (MO) öncüller, atomik olarak hassas kompleks oksit malzemelerin kalbindeki kimyasal yapı taşlarıdır. Ancak MOCVD, ALD ve hibrit-MBE gibi buhar fazı biriktirme tekniklerinde, uzun süredir "kara kutu" olarak ele alınmışlardır; tepkimeleri yeterince anlaşılmamış ve genellikle "sadece ayarlanacak bir düğme" olarak görmezden gelinmiştir.

npj Computational Materials dergisinde yayınlanmak üzere yakın zamanda kabul edilen yeni bir çalışma bunu değiştiriyor. Hesaplamalı kuantum mekaniğini ReaxFF verimliliği ve metadinamikle birleştiren araştırmacılar, karmaşık oksit oluşumu için ortak bir öncül olan titanyum izopropoksitin (TTIP) tüm reaksiyon manzarasını haritaladılar. Ekip, gizli adımları, potansiyel engelleri ve yan ürün yollarını ortaya çıkararak MO öncül kimyasını daha öngörülebilir ve kontrol edilebilir bir sürece dönüştürdü.

Tahminden Tahmine Dayalı Kontrole: Metal-Organik Öncü Kimyasının Kodunu Çözmek

"Metal-organik öncüller, karmaşık oksit oluşumunun temel taşlarıdır," diyor PDI'ın Hesaplamalı Malzeme Bilimi grubunun başkanı ve makalenin başyazarı Nadire Nayir. "Tepkime yollarını anlamak, hassas element entegrasyonuna olanak tanır, buharlaşma sıcaklıklarını düşürür ve malzeme bileşimi ve stokiyometrisi üzerinde kontrolü artırır. Ancak asıl zorluk," diye açıkladı, "tepkimelerin karmaşıklığında yatıyor. Moleküller birden fazla yola ayrılır; bazıları yararlı ürünler üretirken, diğerleri yarı kararlı yan ürünler veya çıkmaz sokaklarla son bulur. Bunlar süreci yavaşlatabilir, hatta engelleyebilir. Kimyagerler onlarca yıl boyunca hangi yolların başarılı olacağını tahmin etmeye çalıştılar."

Nayir, ekibin yetenekli ve özverili doktora öğrencileri Benazir Yalçın Fazlıoğlu (Roman Engel-Herbert ve Adri van Duin'in eş danışmanlığında) ve Cem Sanga'nın (Nayir'in danışmanlığında) bu zorluğun üstesinden gelmek için gösterdikleri özverinin altını çizdi. Ekibin çabaları, önceki modellerin aksine, termodinamik itici kuvvetler ve kinetik kısıtlamalar arasında köprü kuran ve denge modellerinin erişemeyeceği karmaşık sistemlerde güvenilir tahminler sağlayan çoklu fizik çerçevesinin geliştirilmesine yol açtı. Nayir, "Bu strateji, daha önce belirsiz olan reaksiyonları anlamamızı ve nihayetinde kontrol etmemizi sağlıyor," dedi. "Harald Schäfer'in 50 yıl önce belirttiği gibi, 'reaksiyon yolları hakkında bilgi sahibi olmadan, onları kontrol edemez veya kullanamayız.' Artık reaksiyon sonuçlarını tahmin edebiliyor ve modellerimizi gerçek zamanlı olarak iyileştirebiliyoruz."

İş birliği çok önemliydi: Simülasyonlar, Penn State ve İstanbul Teknik Üniversitesi'nin katkılarıyla PDI'da yürütüldü. "Bu projenin en heyecan verici kısımlarından biri, modelimizi şekillendirmede ve geliştirmede hayati önem taşıyan deneycilerle sürekli diyalogdu," diye ekledi ve paha biçilmez tartışmaları ve rehberliği için PDI direktörü ve h-MBE deneysel çalışmalarına liderlik eden Roman Engel-Herbert'e teşekkür etti.

Engel-Herbert, bu iş birliğinin etkisini şöyle vurguladı: "Bu çalışmadan önce süreç bir nevi kara kutu gibiydi. Simülasyon ekibiyle yakın çalışmamız, deneylerimiz hakkında farklı düşünmemizi sağladı. Şimdi, yarı kararlı ara maddeler ve çıkmaz yollar da dahil olmak üzere reaksiyon ortamını görebiliyoruz ve bu da daha akıllı sentez stratejileri tasarlamamıza yardımcı oluyor." Herbert sözlerine şöyle devam etti: "Bu proje, teori ve deney arasındaki diyaloğun gücünü vurgulayarak, sorunlara birbirimizin gözünden bakmamızı sağlıyor."

Proje aynı zamanda genç yeteneklerin de gelişmesine katkı sağladı. PDI'nin sosyal sorumluluk çalışmaları sayesinde, İstanbul Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü lisans öğrencisi İrem Erpay, araştırmaya anlamlı katkılarda bulunarak, yüksek etkili bilimin yalnızca doktora düzeyindeki çalışmalarla sınırlı olmadığını gösterdi.

Ekip, öncü kimyanın kara kutusunu açarak daha verimli, öngörülebilir ve ölçeklenebilir nanomalzeme üretimi için temelleri atıyor. Nayir, "Bu, buzdağının sadece görünen kısmı," dedi. "Nihai hedefimiz, deneme yanılma kimyasından öngörücü senteze geçmek; daha hızlı malzeme geliştirme, daha az atık ve hassas atom kontrolü; bu da verimli ve güvenilir ince film üretimine doğru atılmış büyük bir adım."

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1187278/the-black-box-of-precursor-chemistry-cracked-open.html