Vissa typer av molekyler bildar mönster när de deponeras på substrat. Fotovoltaiska och sensoriska enheter från organiska föreningar är beroende av detta fenomen av självorganisation. Fysiker vid Ludwig-Maximilians-Universitaet i München, Tyskland, har nu utvecklat en modell som förutsäger dessa mönster och därmed möjliggör optimering av molekylsyntesen i framtiden.
Vissa molekylklasser kan ordna sig i specifika mönster på ytor. Denna förmåga att organisera sig själv är avgörande för många tekniska tillämpningar, som är beroende av montering av ordnade strukturer på ytor. Dock, det har hittills varit praktiskt taget omöjligt att förutsäga eller kontrollera resultatet av sådana processer.
Nu är en grupp forskare under ledning av Dr Bianca Hermann, en fysiker från Center for Nanoscience (CeNS) vid LMU München, rapporterar ett betydande genombrott:Genom att kombinera statistisk fysik och detaljerade simuleringar med bilder erhållna genom att skanna tunnelmikroskopi (STM), laget har kunnat formulera en enkel modell som kan förutsäga de observerade mönstren. "Med hjälp av modellen, vi kan generera en mängd olika mönster som överraskande väl återger de arrangemang som observerats experimentellt ", säger Hermann. "Vi vill utvidga detta tillvägagångssätt till andra ytsymmetrier. Redan nu är områdena molekylär elektronik, sensorapplikationer, ytkatalys och organisk solceller kan dra nytta av vår modell. Dess förmåga att förutsäga strukturer som bildas genom självorganisation möjliggör optimering av molekylära byggstenar före syntes. "( Nano bokstäver uppkopplad, 16 februari 2010)
När "moder natur" gör tekniken, molekyler kan självorganisera sig i komplexa strukturer - ett första steg i bildandet av membran, celler och andra molekylära system. Principen om självorganisation, vilket möjliggör mycket ekonomisk användning av resurser, utnyttjas också vid tillverkning av funktionaliserade ytor som krävs inom molekylär elektronik, sensorapplikationer, katalys och fotovoltaiska komponenter. Tanken med tillverkningsprocessen är att molekylära komponenter bringas i kontakt med ett substratmaterial, och sedan "magiskt" hitta sina föredragna positioner i det önskade molekylära nätverket. Startkomponenterna väljs för att visa specifika strukturella och kemiska egenskaper avsedda för den tänkta applikationen. Dock, optimeringen av de molekylära spelarna beror till stor del på ett försök-och-fel-tillvägagångssätt, och är därför komplicerat och tidskrävande.
För att utveckla den nya molekylära interaktionsplatsmodellen, Dr. Herrmanns grupp samarbetade med Priv. Doz. Dr Thomas Franosch och professor Erwin Frey inom Cluster of Excellence "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). Problemet hanterades med hjälp av ett tillvägagångssätt från statistisk fysik som kallas Monte Carlo -metoden, vilket gör att man kan genomföra en detaljerad datasimulering om statistiken över molekylära interaktioner. De så genererade strukturmotiven jämfördes med experimentella högupplösta bilder av molekylära mönster erhållna med STM. Marta Balbás Gambra, en doktorand, började varje simulering med en matematisk framställning av en samling av hundratals slumpmässigt orienterade partiklar med definierad konformation. Dessa schematiska molekyler stördes sedan av - beräkningsmässigt - tillförsel av energi, vilket får befolkningen att anta en ny konfiguration.
Med hjälp av denna simuleringsstrategi, man kan generera en större variation av mönster än vad som finns naturligt, och många av dessa motsvarade nära de verkliga molekylära mönstren som avslöjades av STM. "I ett fall förutspådde vi faktiskt ett mönster som först senare verifierades med STM", rapporterar doktoranden Carsten Rohr. Enligt termodynamikens lagar, fysiska system tenderar att anta staten med den mest gynnsamma (dvs. lägsta) energin. Experimentella tester visade att olika molekylära konfigurationer interkonverterar tills ett arrangemang dominerar som påminner om däckspår. Och verkligen, Monte Carlo -metoden hade förutsagt att detta arrangemang motsvarar staten med den lägsta energin.
"I slutet, vi kunde visa att molekylär geometri och några framträdande funktioner kodar de observerade strukturmotiven ", förklarar teoretikern Franosch. "Vi planerar att utvidga tillvägagångssättet till andra typer av ytsymmetrier, men modellen ger redan ett viktigt teoretiskt verktyg, eftersom det hjälper oss att förutse vilken typ av ytmönster som en given funktionell molekyl kommer att bilda. Detta innebär att konstruktionen av molekyler kan optimeras under den syntetiska fasen, för att få ytor med önskade egenskaper ", säger Hermann. Fysikerna i gruppen, som kommer från olika vetenskapliga bakgrunder och kunde samla sin expertis för detta projekt, tänka sig flera potentiella applikationer för deras modell inom molekylär elektronik, sensorteknik, katalys och solceller. Ytterligare möjligheter inkluderar dess användning för att förutsäga resultaten av andra typer av molekylära interaktioner även på delvis mönstrade substrat.
