Nu er nieuwe methoden beschikbaar zijn gekomen voor het begrijpen en manipuleren van materie op de meest fundamentele niveaus, onderzoekers die werkzaam zijn op het interdisciplinaire gebied van materiaalkunde zijn steeds succesvoller in het synthetiseren van nieuwe soorten materialen. Vaak is het doel van onderzoekers in het veld om materialen te ontwerpen die eigenschappen bevatten die nuttig kunnen zijn voor het uitvoeren van specifieke functies. Dergelijke materialen kunnen bijvoorbeeld, chemisch stabieler zijn of beter bestand zijn tegen fysieke breuk, gunstige elektromagnetische eigenschappen hebben, of op voorspelbare manieren reageren op specifieke omgevingscondities.

Dr. Ralf Tonner en zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Marburg pakken de uitdaging aan om functionele materialen op een ongebruikelijke manier te ontwerpen - door benaderingen toe te passen die zijn gebaseerd op computationele chemie. Met behulp van computerbronnen in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), een van de drie Duitse nationale supercomputingcentra die deel uitmaken van het Gauss Center for Supercomputing, Tonner modelleert fenomenen die plaatsvinden op atomaire en subatomaire schaal om te begrijpen hoe factoren zoals moleculaire structuur, elektronische eigenschappen, chemische binding, en interacties tussen atomen beïnvloeden het gedrag van een materiaal.

"Als je bestudeert hoe, bijvoorbeeld, een molecuul adsorbeert op een oppervlak, "Tonner legt uit, "andere wetenschappers zullen dat fenomeen vaak beschrijven met methoden uit de natuurkunde, vastestoftheorie, of bandstructuren. We denken dat het ook heel nuttig kan zijn om te vragen, hoe zou een chemicus kijken naar wat hier gebeurt?" Vanuit dit perspectief, Tonner is geïnteresseerd in het onderzoeken of het begrijpen van chemische reacties - hoe atomen zich aan elkaar binden tot moleculen en reageren wanneer ze met elkaar in contact worden gebracht - nieuwe en bruikbare inzichten kan bieden.

In een nieuwe publicatie in WIREs Computational Molecular Science , Tonner en zijn medewerker Lisa Pecher benadrukken het vermogen van computationele chemie-benaderingen met behulp van high-performance computing om interessante verschijnselen te onthullen die optreden tussen organische moleculen en oppervlakken. Ze demonstreren ook meer in het algemeen hoe deze interacties kunnen worden begrepen met betrekking tot de moleculaire en vastestofwereld. De kennis die ze hebben opgedaan, kan nuttig zijn bij het ontwerpen van oppervlakken met patronen, een doel van wetenschappers die werken aan de volgende generatie krachtigere, efficiëntere halfgeleiders.

Berekening naar scheikunde brengen

Atomen binden zich aan elkaar om moleculen en verbindingen te vormen wanneer ze elkaar naderen en vervolgens elektronen uitwisselen of delen die rond hun kernen cirkelen. De specifieke betrokken atomen, de fysieke vormen die de moleculen aannemen, hun energetische eigenschappen, en hoe ze interageren met andere nabijgelegen moleculen zijn allemaal eigenschappen die een verbinding zijn unieke eigenschappen geven. Dergelijke kenmerken kunnen bepalen of verbindingen waarschijnlijk stabiel blijven, of spanningen zoals veranderingen in temperatuur of druk hun reactiviteit kunnen beïnvloeden.

Tonner gebruikt een computationele benadering genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om dergelijke kenmerken op kwantumschaal te onderzoeken; dat is, op de schaal waarop de Newtoniaanse mechanica wordt vervangen door de veel vreemdere wereld van de kwantummechanica (op afstanden van minder dan 100 nanometer). DFT gebruikt informatie over variaties in de dichtheid van elektronen binnen een molecuul - een hoeveelheid die ook experimenteel kan worden gemeten met behulp van een veelgebruikte technologie die röntgendiffractie wordt genoemd - om de energie van het systeem af te leiden. Dit, beurtelings, stelt de onderzoekers in staat om interacties tussen kernen af ​​te leiden, evenals interacties tussen elektronen en kernen, factoren die cruciaal zijn voor het begrijpen van chemische bindingen en reacties.

DFT kan nuttige, hoewel statisch, informatie over de energieprofielen van de verbindingen die ze bestuderen. Om een ​​beter begrip te krijgen van hoe systemen van moleculen zich daadwerkelijk gedragen bij interactie met een oppervlak, Tonner's groep gebruikt ook high-performance computing bij HLRS om moleculaire dynamische simulaties uit te voeren. Hier, de wetenschappers kijken naar hoe het systeem van moleculen zich in de loop van de tijd ontwikkelt, op het niveau van atomen en elektronen en op tijdschalen van picoseconden (één picoseconde is één biljoenste van een seconde).

Dergelijke berekeningen gebruiken meestal 2, 000-3, 000 rekenkernen, een week met een probleem lopen, en Tonner heeft ongeveer 30 miljoen CPU-uren bij HLRS gebudgetteerd voor de huidige financieringscyclus van twee jaar.

"Toenemende rekenkracht heeft het voor computationele chemie en kwantumchemie mogelijk gemaakt om echte moleculaire systemen te beschrijven. Slechts 15 tot 20 jaar geleden, mensen konden alleen naar kleine moleculen kijken en moesten vrij sterke benaderingen maken, Tonner legt uit. "In de afgelopen jaren hebben de computationele chemie en solid-state theoriegemeenschappen hebben het probleem opgelost om hun codes te parallelliseren om efficiënt te werken op krachtige computersystemen. Naarmate supercomputers groter worden, we verwachten steeds realistischere modellen te kunnen ontwikkelen voor experimentele systemen in de materiaalkunde."

Naar op licht gebaseerde halfgeleiders

Een gebied waarop Tonner momenteel computationele chemie gebruikt, is het bestuderen van manieren om silicium te verbeteren voor gebruik in nieuwe soorten halfgeleiders. Dit probleem heeft de laatste jaren aan urgentie gewonnen, omdat het duidelijk is geworden dat de micro-elektronica-industrie de grenzen bereikt van haar vermogen om halfgeleiders te verbeteren met alleen silicium.

Zoals Tonner en experimentele collega's in een recent artikel in de Beilstein Journal of Organic Chemisty rapporteren, het functionaliseren van silicium met verbindingen zoals galliumfosfide (GaP) of galliumarsenide (GaAs) zou het ontwerp van nieuwe soorten halfgeleiders mogelijk maken. Dit onderzoek, gebaseerd op een veld genaamd siliciumfotonica, stelt dat dergelijke nieuwe materialen het mogelijk zouden maken om licht in plaats van elektronen te gebruiken voor signaaltransport, ondersteuning van de ontwikkeling van verbeterde elektronische apparaten.

"Om dit te doen, "Tonner legt uit, "we moeten echt begrijpen hoe de interfaces tussen silicium en deze organische verbindingen eruitzien en zich gedragen. De reactie tussen deze twee materiaalklassen moet op een zeer gecontroleerde manier verlopen, zodat de interface zo perfect mogelijk is. Met computationele chemie kunnen we kijken op de elementaire details van deze interacties en processen."

Bijvoorbeeld, om een ​​plak silicium te bedekken, vloeibare precursormoleculen voor de samenstellende atomen van galliumarsenide worden in een bubbler geplaatst, waar ze vervolgens in de gasfase worden gebracht. Deze voorlopermoleculen zijn samengesteld uit de atomen die nodig zijn voor het nieuwe materiaal (gallium, arseen) en ionen of moleculen, liganden genaamd, om ze in de vloeistof- en gasfase te stabiliseren. Deze liganden gaan vervolgens verloren in het depositieproces en wanneer silicium in het systeem wordt geplaatst, de voorlopermoleculen worden geadsorbeerd op het vaste siliciumoppervlak. Na adsorptie en verlies van de liganden, gallium- en arsenide-atomen hechten zich aan het silicium, het vormen van een GaAs-film.

Hoe atomen zijn gerangschikt wanneer ze aan een oppervlak adsorberen, wordt bepaald door chemische binding. De sterkte van deze bindingen en de dichtheid waarmee de GaAs-voorlopermoleculen worden geadsorbeerd, wordt niet alleen beïnvloed door de afstand tussen hen en het siliciumoppervlak, maar ook door interacties tussen de voorlopermoleculen zelf. In een bepaald type interactie, genaamd Pauli afstoting, wolken van elektronen overlappen en stoten elkaar af, waardoor de beschikbare energie voor binding afneemt. In een andere, zogenaamde aantrekkelijke dispersie-interactie, veranderingen in de elektronische posities in één atoom zorgen ervoor dat elektronen worden herverdeeld in andere atomen, het in harmonie brengen van de elektronenbewegingen en het verlagen van de energie van het totale systeem.

Eerder, er was gesuggereerd dat afstotelijke relaties tussen atomen de belangrijkste factor zijn bij het "sturen" van atomen op hun plaats wanneer ze adsorberen op een oppervlak. Door de dichtheidsfunctionaaltheorie te gebruiken en te kijken naar intrigerende kenmerken van hoe elektronen worden verdeeld, de onderzoekers stelden vast dat het vermogen van atomen om andere atomen op hun plaats op het oppervlak te sturen ook het gevolg kan zijn van aantrekkelijke dispersieve interacties.

Een beter begrip van deze fundamentele interacties zou ontwerpers van optisch actieve halfgeleiders moeten helpen om de adsorptie van de voorlopermoleculen op silicium te verbeteren. Dit, beurtelings, zou het mogelijk maken om lichtsignaalgeleiding te combineren met op silicium gebaseerde micro-elektronica, het beste van twee werelden in optische en elektronische geleiding samenbrengen.

voor Tonner, het gebruik van eerste-principes-methoden in de chemie voor materiaalwetenschappelijke toepassingen is veelbelovend. "Theorie wordt tegenwoordig heel vaak gezien als een aanvulling op experimenteel onderzoek, " zegt hij. "Hoewel experimenteren uiterst belangrijk is, ons uiteindelijke doel is dat de theorie voorspellend is op manieren die ons in staat stellen de eerste stappen te zetten in op de eerste principes geïnspireerde materiaalontwerpen. Ik zie dit als een langetermijndoel."