[论文解读] Structural and chemical mechanisms governing stability of inorganic Janus nanotubes

Felix T. Bölle, August E. G. Mikkelsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Supramolecular Self-Assembly in Materials参考文献 51被引用 34

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）识别由非对称二维Janus片自卷曲形成的稳定无机Janus纳米管，揭示在等价元素体系中晶格失配主导纳米管形成，而在非等价体系中键能差异起主导作用。预测了超过100种最优半径小于35 Å的纳米管，通过简单描述符与贝叶斯回归实现对小半径纳米管的加速发现。

ABSTRACT

One-dimensional inorganic nanotubes hold promise for technological applications due to their distinct physical/chemical properties, but so far advancements have been hampered by difficulties in producing single-wall nanotubes with a well-defined radius. In this work we investigate, based on Density Functional Theory (DFT), the formation mechanism of 135 different inorganic nanotubes formed by the intrinsic self-rolling driving force found in asymmetric 2D Janus sheets. We show that for isovalent Janus sheets, the lattice mismatch between inner and outer atomic layers is the driving force behind the nanotube formation, while in the non-isovalent case it is governed by the difference in chemical bond strength of the inner and outer layer leading to steric effects. From our pool of candidate structures we have identified more than 100 tubes with a preferred radius below 35 {\AA}, which we hypothesize can display unique properties compared to their parent 2D monolayers. Simple descriptors have been identified to accelerate the discovery of small-radius tubes and a Bayesian regression approach has been implemented to assess the uncertainty in our predictions on the radius.

研究动机与目标

• 识别半径小于35 Å的稳定无机Janus纳米管，其难以通过实验方法合成。
• 理解二维Janus片自卷曲形成一维纳米管的结构与化学机制。
• 开发可预测的描述符与不确定性感知模型，以加速发现小半径单壁纳米管。

提出的方法

• 对135种源自二维Janus片（MXY，M =过渡金属或类金属，X/Y =氧族元素或卤素）的无机纳米管进行了高通量DFT筛选。
• 通过沿扶手椅方向与锯齿方向卷曲T相与H相二维Janus片生成纳米管，系统性地改变半径。
• 应变能计算公式为Estrain(R) = Etube/Ntube − EMXY/NMXY，最优半径Ropt通过拟合Estrain(R) = a/R² + b/R确定。
• 应用贝叶斯回归量化Ropt预测中的不确定性，识别出功能形式Estrain(R) = a/R² + b/R与数据拟合不佳的情况。
• 通过结构筛选确保仅保留稳定、圆形且保持原型几何结构的纳米管，剔除约40%的初始候选物。
• 采用ASE与MyQueue构建的自定义工作流实现自动化、可重复的DFT计算，并具备错误处理机制，最大限度减少人工干预。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些结构与化学因素主导了二维Janus片自发卷曲为具有明确半径的单壁纳米管？
• RQ2 内层与外层之间晶格失配与键能差异如何影响纳米管的稳定性和最优半径？
• RQ3 是否能仅通过简单描述符准确预测Janus纳米管的最优半径，而无需进行完整的DFT弛豫？
• RQ4 在有限DFT数据下，贝叶斯回归在预测纳米管半径时的不确定性量化能力有多强？
• RQ5 哪些Janus纳米管组成因高稳定性和小半径而最适于实验合成？

主要发现

• 识别出超过100种半径小于35 Å的稳定Janus纳米管，表明其具有独特的物理与化学性质潜力。
• 对于等价阴离子（如S/Se），内层与外层原子层之间的晶格失配是纳米管形成的主导驱动力。
• 对于非等价阴离子（如S/Cl），键能差异与空间位阻效应——特别是M–X键较短、M–Y键较长——驱动曲率形成。
• 最小应变能可通过二维Janus片与交替二维片的能量差作为描述符进行良好预测。
• 贝叶斯回归成功量化了Ropt预测中的不确定性，识别出功能形式Estrain(R) = a/R² + b/R无法拟合数据的情况。
• BiTeI基纳米管表现出高稳定性，由于块体BiTeI与可剥离的二维层已存在，是实验验证的有力候选。