Bepaalde soorten moleculen vormen patronen wanneer ze op substraten worden afgezet. Fotovoltaïsche en sensorapparaten van organische verbindingen zijn afhankelijk van dit fenomeen van zelforganisatie. Natuurkundigen van de Ludwig-Maximilians-Universitaet in München, Duitsland, hebben nu een model ontwikkeld dat deze patronen voorspelt en zo optimalisatie van de moleculaire synthese in de toekomst mogelijk maakt.

Sommige klassen moleculen zijn in staat zichzelf in specifieke patronen op oppervlakken te rangschikken. Dit vermogen tot zelforganisatie is cruciaal voor veel technologische toepassingen, die afhankelijk zijn van de montage van geordende structuren op oppervlakken. Echter, het resultaat van dergelijke processen is tot nu toe vrijwel onmogelijk te voorspellen of te beheersen.

Nu heeft een groep onderzoekers onder leiding van Dr. Bianca Hermann, een fysicus van het Center for Nanoscience (CeNS) aan de LMU München, meldt een belangrijke doorbraak:door statistische fysica en gedetailleerde simulaties te combineren met afbeeldingen die zijn verkregen door scanning tunneling microscopie (STM), het team heeft een eenvoudig model kunnen formuleren dat de waargenomen patronen kan voorspellen. "Met behulp van het model, we kunnen een grote verscheidenheid aan patronen genereren die verrassend goed de experimenteel waargenomen rangschikkingen reproduceren", zegt Herman. "We willen deze benadering uitbreiden naar andere oppervlaktesymmetrieën. Nu al de gebieden van moleculaire elektronica, sensor toepassingen, oppervlaktekatalyse en organische fotovoltaïsche energie kunnen profiteren van ons model. Het vermogen om structuren gevormd door zelforganisatie te voorspellen, maakt optimalisatie van moleculaire bouwstenen mogelijk voorafgaand aan synthese." ( Nano-letters online, 16 februari 2010)

Wanneer "moeder natuur" de techniek doet, moleculen kunnen zichzelf organiseren in complexe structuren - een eerste stap in de vorming van membranen, cellen en andere moleculaire systemen. Het principe van zelforganisatie, die een zeer zuinig gebruik van hulpbronnen mogelijk maakt, wordt ook gebruikt bij de productie van gefunctionaliseerde oppervlakken die nodig zijn in moleculaire elektronica, sensor toepassingen, katalyse en fotovoltaïsche componenten. Het idee van het fabricageproces is dat moleculaire componenten in contact worden gebracht met een substraatmateriaal, en dan "magisch" hun voorkeursposities in het gewenste moleculaire netwerk vinden. De uitgangscomponenten worden geselecteerd om specifieke structurele en chemische kenmerken te vertonen die bedoeld zijn voor de beoogde toepassing. Echter, de optimalisatie van de moleculaire adlagen hangt grotendeels af van een trial-and-error-aanpak, en is daarom ingewikkeld en tijdrovend.

Om het nieuwe model voor moleculaire interactiesites te ontwikkelen, De groep van Dr. Herrmann werkte samen met Priv. Doz. Dr. Thomas Franosch en professor Erwin Frey binnen het Cluster of Excellence "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). Het probleem werd aangepakt met behulp van een benadering uit de statistische fysica die bekend staat als de Monte Carlo-methode, waarmee men een gedetailleerde computersimulatie kan uitvoeren op de statistieken van moleculaire interacties. De aldus gegenereerde structurele motieven werden vergeleken met experimentele afbeeldingen met hoge resolutie van moleculaire patronen die door STM waren verkregen. Marta Balbas Gambra, een doctoraatsstudent, begon elke simulatie met een wiskundige weergave van een verzameling van honderden willekeurig georiënteerde deeltjes met een gedefinieerde conformatie. Deze schematische moleculen werden vervolgens verstoord door - rekenkundig - energie toe te voegen, waardoor de bevolking een nieuwe configuratie aanneemt.

Met behulp van deze simulatiestrategie, men kan een grotere verscheidenheid aan patronen genereren dan in de natuur wordt gevonden, en veel van deze kwamen nauw overeen met de echte moleculaire patronen die door STM werden onthuld. "In één geval voorspelden we zelfs een patroon dat pas later werd geverifieerd met STM", meldt promovendus Carsten Rohr. Volgens de wetten van de thermodynamica, fysieke systemen hebben de neiging om de toestand met de meest gunstige (d.w.z. laagste) energie aan te nemen. Experimentele tests toonden aan dat verschillende moleculaire configuraties in elkaar overgaan totdat een opstelling overheerst die doet denken aan bandensporen. En inderdaad, de Monte Carlo-benadering had voorspeld dat deze opstelling overeenkomt met de toestand met de laagste energie.

"Uiteindelijk, we konden aantonen dat de moleculaire geometrie en enkele opvallende kenmerken coderen voor de waargenomen structurele motieven", legt theoreticus Francosch uit. "We zijn van plan de benadering uit te breiden naar andere soorten oppervlaktesymmetrieën, maar het model biedt al een belangrijk theoretisch hulpmiddel, omdat het ons helpt om het type oppervlaktepatroon te voorspellen dat een bepaald functioneel molecuul zal vormen. Dit betekent dat het ontwerp van moleculen kan worden geoptimaliseerd tijdens de synthesefase, om oppervlakken met de gewenste eigenschappen te verkrijgen", zegt Herman. De fysici in de groep, die verschillende wetenschappelijke achtergronden hebben en hun expertise hebben kunnen bundelen voor dit project, voorzien meerdere potentiële toepassingen voor hun model in moleculaire elektronica, sensortechnologie, katalyse en fotovoltaïsche energie. Verdere mogelijkheden zijn onder meer het gebruik ervan voor het voorspellen van de resultaten van andere soorten moleculaire interacties, ook op gedeeltelijk van een patroon voorziene substraten.