När nya metoder har blivit tillgängliga för att förstå och manipulera materia på dess mest grundläggande nivåer, forskare som arbetar inom det tvärvetenskapliga området materialvetenskap har blivit alltmer framgångsrika i att syntetisera nya typer av material. Ofta är målet för forskare inom området att designa material som innehåller egenskaper som kan vara användbara för att utföra specifika funktioner. Sådana material kan, till exempel, vara mer kemiskt stabil eller motståndskraftig mot fysiskt brott, har fördelaktiga elektromagnetiska egenskaper, eller reagera på förutsägbara sätt på specifika miljöförhållanden.

Dr. Ralf Tonner och hans forskargrupp vid universitetet i Marburg tar sig an utmaningen att designa funktionella material på ett ovanligt sätt – genom att tillämpa metoder baserade på beräkningskemi. Använda datorresurser på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), ett av tre tyska nationella superdatorcenter som utgör Gauss Center for Supercomputing, Tonner modellerar fenomen som inträffar på atomär och subatomär skala för att förstå hur faktorer som molekylstruktur, elektroniska egenskaper, kemisk bindning, och interaktioner mellan atomer påverkar ett materials beteende.

"När du studerar hur, till exempel, en molekyl adsorberas på en yta, Tonner förklarar, "andra forskare kommer ofta att beskriva det fenomenet med metoder från fysiken, solid state teori, eller bandstrukturer. Vi tror att det också kan vara till stor hjälp att fråga, hur skulle en kemist se på vad som händer här?" Ur detta perspektiv, Tonner är intresserad av att undersöka om förståelse av kemiska reaktioner – hur atomer binder samman till molekyler och reagerar när de kommer i kontakt med varandra – kan erbjuda nya och användbara insikter.

I en ny publikation i WIREs Computational Molecular Science , Tonner och hans samarbetspartner Lisa Pecher lyfter fram förmågan hos beräkningskemiska tillvägagångssätt med hjälp av högpresterande beräkningar för att avslöja intressanta fenomen som uppstår mellan organiska molekyler och ytor. De visar också mer allmänt hur dessa interaktioner kan förstås med avseende på molekylär och fast tillståndsvärld. Kunskapen de fick kan vara användbar för att designa mönstrade ytor, ett mål för forskare som arbetar med nästa generation av kraftfullare, effektivare halvledare.

Att föra beräkning till kemi

Atomer binder samman för att bilda molekyler och föreningar när de närmar sig varandra och sedan byter eller delar elektroner som kretsar runt sina kärnor. De specifika atomer som är involverade, de fysiska former som molekylerna tar, deras energiska egenskaper, och hur de interagerar med andra närliggande molekyler är alla egenskaper som ger en förening dess unika egenskaper. Sådana egenskaper kan avgöra om föreningar sannolikt förblir stabila, eller om spänningar som förändringar i temperatur eller tryck kan påverka deras reaktivitet.

Tonner använder en beräkningsmetod som kallas densitetsfunktionsteori (DFT) för att utforska sådana egenskaper i kvantskala; det är, i den skala där Newtons mekanik ersätts av kvantmekanikens mycket främmande värld (på avstånd mindre än 100 nanometer). DFT använder information om variationer i elektrontätheten i en molekyl – en kvantitet som också kan mätas experimentellt med en allmänt använd teknik som kallas röntgendiffraktion – för att härleda systemets energi. Detta, i tur och ordning, gör det möjligt för forskarna att sluta sig till interaktioner mellan kärnor såväl som interaktioner mellan elektroner och kärnor, faktorer som är avgörande för att förstå kemiska bindningar och reaktioner.

DFT kan ge användbara, även om det är statiskt, information om energiprofilerna för föreningarna de studerar. För att få en bättre förståelse för hur molekylsystem faktiskt beter sig när de interagerar med en yta, Tonners grupp använder också högpresterande beräkningar vid HLRS för att utföra molekylära dynamiksimuleringar. Här, forskarna tittar på hur molekylsystemet utvecklas över tid, på nivån av atomer och elektroner och på tidsskalor av pikosekunder (en pikosekund är en biljondels sekund).

Sådana beräkningar använder vanligtvis 2, 000-3, 000 datorkärnor, kört på ett problem i en vecka, och Tonner har budgeterats med cirka 30 miljoner CPU-timmar på HLRS för den nuvarande tvååriga finansieringscykeln.

"Ökande datorkraft har gjort det möjligt för beräkningskemi och kvantkemi att beskriva verkliga molekylära system. För bara 15 till 20 år sedan, människor kunde bara titta på små molekyler och var tvungna att göra ganska starka uppskattningar, " Tonner förklarar. "Under de senaste åren, beräkningskemi och solid state teorigemenskaperna har löst problemet med att parallellisera sina koder för att fungera effektivt på högpresterande datorsystem. När superdatorerna blir större, vi räknar med att kunna utveckla allt mer realistiska modeller för experimentella system inom materialvetenskap."

Mot ljusbaserade halvledare

Ett område där Tonner för närvarande använder beräkningskemi är att studera sätt att förbättra kisel för användning i nya typer av halvledare. Detta problem har blivit brådskande de senaste åren, eftersom det har blivit tydligt att mikroelektronikindustrin närmar sig gränserna för sin förmåga att förbättra halvledare med enbart kisel.

Som Tonner och experimentella kollegor rapporterar i en ny artikel i Beilstein Journal of Organic Chemisty, funktionaliserande kisel med föreningar som galliumfosfid (GaP) eller galliumarsenid (GaAs) skulle kunna möjliggöra design av nya typer av halvledare. Denna forskning, baserat på ett område som kallas kiselfotonik, hävdar att sådana nya material skulle göra det möjligt att använda ljus istället för elektroner för signaltransport, stödja utvecklingen av förbättrade elektroniska apparater.

"Att göra detta, Tonner förklarar, "vi måste verkligen förstå hur gränssnitten mellan kisel och dessa organiska föreningar ser ut och beter sig. Reaktionen mellan dessa två materialklasser måste fortgå på ett mycket kontrollerat sätt så att gränssnittet blir så perfekt som möjligt. Med beräkningskemi kan vi se ut på de elementära detaljerna i dessa interaktioner och processer."

Till exempel, att täcka en kiselskiva, flytande prekursormolekyler för de ingående atomerna i galliumarsenid placeras i en bubblare, där de sedan förs in i gasfasen. Dessa prekursormolekyler är sammansatta av de atomer som krävs för det nya materialet (gallium, arsenik) och joner eller molekyler som kallas ligander för att stabilisera dem i vätske- och gasfasen. Dessa ligander går sedan förlorade i avsättningsprocessen och när kisel placeras i systemet, prekursormolekylerna adsorberas på den fasta kiselytan. Efter adsorption och förlust av ligander, gallium- och arsenidatomer fäster till kisel, bildar en GaAs-film.

Hur atomer är ordnade när de adsorberar till en yta bestäms av kemisk bindning. Styrkan hos dessa bindningar och densiteten med vilken GaAs-prekursormolekylerna adsorberas påverkas inte bara av avståndet mellan dem och kiselytan utan också av interaktioner mellan själva prekursormolekylerna. I en typ av interaktion, kallad Pauli repulsion, moln av elektroner överlappar varandra och stöter bort varandra, vilket gör att den tillgängliga energin för bindning minskar. I en annan, kallad attraktiv spridningsinteraktion, förändringar i de elektroniska positionerna i en atom gör att elektroner omfördelas i andra atomer, bringa elektronrörelserna i harmoni och sänka energin i det totala systemet.

Tidigare, det hade föreslagits att frånstötande förhållanden mellan atomer är den viktigaste faktorn för att "styra" atomer på plats när de adsorberar på en yta. Genom att använda densitetsfunktionsteori och titta på spännande egenskaper hos hur elektroner är fördelade, forskarna fastställde att atomernas förmåga att styra andra atomer på plats på ytan också kan bero på attraktiva dispersiva interaktioner.

Att få en bättre förståelse för dessa grundläggande interaktioner bör hjälpa designers av optiskt aktiva halvledare att förbättra adsorptionen av prekursormolekylerna på kisel. Detta, i tur och ordning, skulle göra det möjligt att kombinera ljussignalledning med kiselbaserad mikroelektronik, sammanför det bästa av två världar inom optisk och elektronisk ledning.

För Tonner, Att använda första principer-metoder inom kemi för materialvetenskapliga tillämpningar lovar mycket. "Teori idag tas väldigt ofta som ett komplement till experimentell undersökning, " säger han. "Även om experiment är extremt viktigt, vårt yttersta mål är att teorin ska vara förutsägande på ett sätt som gör det möjligt för oss att ta de första stegen i materialdesign inspirerad av de första principerna. Jag ser detta som ett långsiktigt mål."