Daniël Pakhout, Junior Associate Professor aan het Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto, is het verbeteren van methoden voor het construeren van minuscule "nanomaterialen" met behulp van een "bottom-up"-benadering die "moleculaire zelfassemblage" wordt genoemd. Met behulp van deze methode, moleculen worden gekozen op basis van hun vermogen om spontaan te interageren en te combineren om vormen met specifieke functies te vormen. In de toekomst, deze methode kan worden gebruikt om kleine draden met een diameter van 1/100 te produceren, 000ste van een haarlok, of kleine elektrische circuits die op de punt van een naald passen.

Moleculaire zelfassemblage is een spontaan proces dat niet direct door laboratoriumapparatuur kan worden gecontroleerd, dus het moet indirect worden gecontroleerd. Dit wordt gedaan door zorgvuldig de richting van de intermoleculaire interacties te kiezen, bekend als "chemische controle", en zorgvuldig de temperatuur kiezen waarbij deze interacties plaatsvinden, bekend als "entropische controle".

Onderzoekers weten dat wanneer entropische controle erg zwak is, bijvoorbeeld, moleculen staan ​​onder chemische controle en verzamelen zich in de richting van de vrije plaatsen die beschikbaar zijn voor interactie tussen moleculen. Anderzijds, zelfassemblage vindt niet plaats wanneer entropische controle veel sterker is dan de chemische controle, en de moleculen blijven willekeurig verspreid.

Tot nu, het is voor onderzoekers niet mogelijk geweest om te raden welke soorten structuren het resultaat zullen zijn van moleculaire zelfassemblage wanneer entropische controle niet zwak of sterk is in vergelijking met chemische controle.

Packwood werkte samen met collega's in Japan en de VS om een ​​rekenmethode te ontwikkelen waarmee ze moleculaire zelfassemblage op metalen oppervlakken kunnen simuleren en tegelijkertijd de effecten van chemische en entropische controles kunnen scheiden.

Deze nieuwe computationele methode maakt gebruik van kunstmatige intelligentie om te simuleren hoe moleculen zich gedragen wanneer ze op een metalen oppervlak worden geplaatst. specifiek, een "machine learning"-techniek wordt gebruikt om een ​​database van intermoleculaire interacties te analyseren. Deze machine learning-techniek bouwt een model dat de informatie in de database codeert, en op zijn beurt kan dit model de uitkomst van het moleculaire zelfassemblageproces met hoge nauwkeurigheid voorspellen.

Het team gebruikte deze methode om de zelfassemblage van drie verschillende koolwaterstofmoleculen te bestuderen, waarvan de structuren variëren in de sterkte van de richting van hun intermoleculaire interacties. Met andere woorden, ze varieerden de sterkte van chemische controle door het bestudeerde molecuul te veranderen.

Terwijl een sterkere chemische controle ervoor zorgde dat moleculen zich samenvoegden tot kettingvormige structuren, de effecten van sterkere entropische controles bleken meer contra-intuïtief te zijn. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat het versterken van entropische controle grote, ongeordende structuren in verschillende kleine, besteld, kettingvormige structuren. Ze toonden ook aan dat de vorming van ongeordende structuren het gevolg is van zwakke chemische controle in plaats van sterke entropische controle.

Deze voorspellingen, die werden geverifieerd door vergelijkingen met microscopische afbeeldingen met hoge resolutie van echte moleculen op metalen oppervlakken, kan leiden tot gecontroleerde, grootschalige fabricage van kleine elektrische draden en andere nanomaterialen voor toekomstige apparaten. Apparaten gemaakt van nanomaterialen zouden aanzienlijk kleiner en goedkoper zijn dan bestaande elektronica, en zou een zeer lange levensduur van de batterij hebben vanwege het lage energieverbruik.

"Door voortdurende ontwikkeling van onze code en theorie, we verwachten steeds gedetailleerdere regels te krijgen voor het beheersen van moleculaire zelfassemblage en het ondersteunen van het bottom-up fabricageproces van nanomaterialen, " concluderen de onderzoekers in hun studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .