Daniel Packwood, Junior docent vid Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS), förbättrar metoder för att konstruera små "nanomaterial" med hjälp av en "bottom-up"-metod som kallas "molekylär självmontering". Med denna metod, molekyler väljs efter deras förmåga att spontant interagera och kombinera för att bilda former med specifika funktioner. I framtiden, denna metod kan användas för att producera små trådar med diametrar 1/100, 000:e det av ett hår, eller små elektriska kretsar som kan passa på spetsen av en nål.

Molekylär självmontering är en spontan process som inte kan kontrolleras direkt av laboratorieutrustning, så det måste styras indirekt. Detta görs genom att noggrant välja riktningen för de intermolekylära interaktionerna, känd som "kemisk kontroll", och noggrant välja den temperatur vid vilken dessa interaktioner sker, känd som "entropisk kontroll".

Forskare vet att när entropisk kontroll är mycket svag, till exempel, molekyler är under kemisk kontroll och samlas i riktning mot de fria platser som är tillgängliga för molekyl-till-molekyl-interaktion. Å andra sidan, självmontering sker inte när entropisk kontroll är mycket starkare än den kemiska kontrollen, och molekylerna förblir slumpmässigt dispergerade.

Tills nu, det har inte varit möjligt för forskare att gissa vilka typer av strukturer som kommer att bli resultatet av molekylär självmontering när entropisk kontroll varken är svag eller stark jämfört med kemisk kontroll.

Packwood gick ihop med kollegor i Japan och USA för att utveckla en beräkningsmetod som gör att de kan simulera molekylär självmontering på metallytor samtidigt som effekterna av kemiska och entropiska kontroller separeras.

Denna nya beräkningsmetod använder sig av artificiell intelligens för att simulera hur molekyler beter sig när de placeras på en metallyta. Specifikt, en "maskininlärning"-teknik används för att analysera en databas med intermolekylära interaktioner. Denna maskininlärningsteknik bygger en modell som kodar informationen som finns i databasen, och i sin tur kan denna modell förutsäga resultatet av den molekylära självsammansättningsprocessen med hög noggrannhet.

Teamet använde denna metod för att studera självmontering av tre olika kolvätemolekyler, vars strukturer varierar i styrkan i riktningen för deras intermolekylära interaktioner. Med andra ord, de varierade styrkan på kemisk kontroll genom att ändra molekylen som studerades.

Medan starkare kemisk kontroll fick molekyler att samlas till kedjeformade strukturer, effekterna av starkare entropiska kontroller visade sig vara mer kontraintuitiva. Till exempel, de fann att en förstärkning av entropisk kontroll kan förändra stora, oordnade strukturer i flera små, beställde, kedjeformade strukturer. De visade också att bildandet av oordnade strukturer beror på svag kemisk kontroll snarare än stark entropisk kontroll.

Dessa förutsägelser, som verifierades genom jämförelser med högupplösta mikroskopiska bilder av verkliga molekyler på metallytor, kan leda till kontrollerade, storskalig tillverkning av små elektriska ledningar och andra nanomaterial för framtida enheter. Enheter gjorda av nanomaterial skulle vara betydligt mindre och billigare än befintlig elektronik, och skulle ha mycket lång batteritid på grund av låg energiförbrukning.

"Genom fortsatt utveckling av vår kod och teori, vi förväntar oss att få allt mer detaljerade regler för att kontrollera molekylär självmontering och underlätta tillverkningsprocessen för nanomaterial från botten och upp, " avslutar forskarna i sin studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation .