Ciertos tipos de moléculas forman patrones cuando se depositan sobre sustratos. Los dispositivos fotovoltaicos y sensores de compuestos orgánicos dependen de este fenómeno de autoorganización. Físicos de la Ludwig-Maximilians-Universitaet en Munich, Alemania, Ahora han desarrollado un modelo que predice estos patrones y, por lo tanto, permite la optimización de la síntesis molecular en el futuro.
Algunas clases de moléculas son capaces de organizarse en patrones específicos sobre superficies. Esta capacidad de autoorganización es crucial para muchas aplicaciones tecnológicas, que dependen del montaje de estructuras ordenadas sobre superficies. Sin embargo, Hasta ahora ha sido virtualmente imposible predecir o controlar el resultado de tales procesos.
Ahora, un grupo de investigadores dirigido por la Dra. Bianca Hermann, un físico del Centro de Nanociencia (CeNS) en LMU Munich, informa un avance significativo:al combinar la física estadística y simulaciones detalladas con imágenes obtenidas mediante microscopía de túnel de barrido (STM), el equipo ha podido formular un modelo simple que puede predecir los patrones observados. "Con la ayuda del modelo, podemos generar una amplia variedad de patrones que reproducen sorprendentemente bien los arreglos observados experimentalmente ", dice Hermann. "Queremos extender este enfoque a otras simetrías superficiales. Ya ahora las áreas de electrónica molecular, aplicaciones de sensores, La catálisis de superficie y la energía fotovoltaica orgánica pueden beneficiarse de nuestro modelo. Su capacidad para predecir estructuras formadas por autoorganización permite la optimización de los bloques de construcción moleculares antes de la síntesis ". ( Nano letras en línea, 16 de febrero de 2010)
Cuando la "madre naturaleza" hace la ingeniería, las moléculas pueden autoorganizarse en estructuras complejas, un primer paso en la formación de membranas, células y otros sistemas moleculares. El principio de autoorganización, que permite un uso muy económico de los recursos, también se explota en la producción de superficies funcionalizadas requeridas en electrónica molecular, aplicaciones de sensores, catálisis y componentes fotovoltaicos. La idea del proceso de fabricación es que los componentes moleculares se pongan en contacto con un material de sustrato, y luego "mágicamente" encuentran sus posiciones preferidas en la red molecular deseada. Los componentes iniciales se seleccionan para mostrar características químicas y estructurales específicas destinadas a la aplicación prevista. Sin embargo, la optimización de las capas moleculares depende en gran medida de un enfoque de prueba y error, y, por lo tanto, es complicado y requiere mucho tiempo.
Para desarrollar el nuevo modelo de sitio de interacción molecular, El grupo del Dr. Herrmann colaboró con Priv. Doz. Dr. Thomas Franosch y el profesor Erwin Frey dentro del Cluster of Excellence "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). El problema se abordó utilizando un enfoque de la física estadística conocido como método de Monte Carlo, lo que permite realizar una simulación por computadora detallada sobre las estadísticas de las interacciones moleculares. Los motivos estructurales así generados se compararon con imágenes experimentales de alta resolución de patrones moleculares obtenidos por STM. Marta Balbás Gambra, un estudiante de doctorado, Comenzó cada simulación con una representación matemática de una colección de cientos de partículas orientadas al azar de conformación definida. Estas moléculas esquemáticas luego fueron perturbadas, computacionalmente, agregando energía, provocando que la población adopte una nueva configuración.
Usando esta estrategia de simulación, uno puede generar una mayor variedad de patrones que los que se encuentran naturalmente, y muchos de estos se correspondían estrechamente con los patrones moleculares reales revelados por STM. "En un caso, predijimos un patrón que solo se verificó más tarde con STM", informa el estudiante de doctorado Carsten Rohr. Según las leyes de la termodinámica, Los sistemas físicos tienden a adoptar el estado con la energía más favorable (es decir, la más baja). Las pruebas experimentales mostraron que las diferentes configuraciones moleculares se interconvierten hasta que predomina una disposición que recuerda a las huellas de los neumáticos. Y de hecho, el enfoque de Monte Carlo había predicho que este arreglo corresponde al estado con la energía más baja.
"En el final, pudimos demostrar que la geometría molecular y algunas características destacadas codifican los motivos estructurales observados ", explica el teórico Franosch. "Planeamos extender el enfoque a otros tipos de simetrías superficiales, pero el modelo ya proporciona una herramienta teórica importante, porque nos ayuda a predecir el tipo de patrón de superficie que formará una determinada molécula funcional. Esto significa que el diseño de moléculas se puede optimizar durante la fase sintética, para obtener superficies con las características deseadas ", dice Hermann. Los físicos del grupo, que provienen de diferentes antecedentes científicos y pudieron aunar su experiencia para este proyecto, prevén múltiples aplicaciones potenciales para su modelo en electrónica molecular, tecnología de sensores, catálisis y fotovoltaica. Otras posibilidades incluyen su uso para predecir los resultados de otros tipos de interacciones moleculares también en sustratos parcialmente modelados.
