Utilizzando metodi di apprendimento automatico, i ricercatori della TU Graz possono prevedere la formazione della struttura delle molecole funzionalizzate alle interfacce dei materiali ibridi. Ora sono anche riusciti a guardare dietro le forze trainanti di questa formazione di strutture.

La produzione di nanomateriali comporta processi di autoassemblaggio di molecole funzionalizzate (organiche) su superfici inorganiche. Questa combinazione di componenti organici e inorganici è essenziale per le applicazioni nell'elettronica organica e in altre aree della nanotecnologia.

Fino ad ora, certe proprietà superficiali desiderate sono state spesso ottenute per tentativi ed errori. Le molecole sono state modificate chimicamente fino a trovare il miglior risultato per la proprietà superficiale desiderata. Però, i processi che controllano l'autoassemblaggio delle molecole alle interfacce sono così complessi che piccoli cambiamenti molecolari possono portare a motivi completamente diversi. I fisici della TU Graz spiegano questa inaspettata formazione della struttura in uno studio pubblicato sulla rinomata rivista ACS Nano .

Per questo scopo, i ricercatori hanno studiato i composti dei chinoidi su una superficie d'argento. Il primo autore Andreas Jeindl dell'Institute of Solid State Physics spiega:"Ingenuamente, ci si potrebbe aspettare che molecole con dimensioni leggermente diverse ma la stessa funzionalizzazione formino motivi simili. In stridente contrasto, il nostro studio teorico e sperimentale congiunto mostra che i chinoni possono formare strutture diverse. Nonostante le condizioni iniziali costanti, la formazione di queste strutture non può essere prevista e pianificata senza una conoscenza dettagliata delle relative interazioni."

Tre forze motrici opposte

I ricercatori di Graz, insieme a una squadra della FSU Jena, ora hanno iniziato ad abbattere questa imprevedibilità. Hanno scoperto che la formazione della struttura è il risultato di un compromesso tra tre forze motrici opposte:l'interazione tra le molecole e il metallo tenta di forzare tutte le molecole nello stesso orientamento, mentre l'interazione tra le molecole favorisce talvolta orientamenti diversi. Le forme geometriche delle molecole agiscono poi come terzo fattore, impedire o consentire solo parzialmente determinate interazioni.

Basato su questo, sono stati in grado di stabilire un principio progettuale con il quale le strutture che si formano alle interfacce, e successivamente le loro proprietà, può essere previsto, almeno per una prima classe di molecole. Un ruolo essenziale è svolto da un algoritmo di ricerca (SAMPLE) basato sul machine learning. Jeindl elabora:"Siamo stati in grado di mostrare in questa pubblicazione che le strutture previste dal nostro algoritmo sono in eccellente accordo con le caratterizzazioni sperimentali delle interfacce organico-inorganico, sia nel modo in cui le molecole si orientano sulla superficie sia nel modo in cui i motivi si ripetono sul superficie Inoltre, la nostra analisi, per la prima volta, ha consentito una scomposizione dettagliata e quantitativa delle forze motrici, non solo delle strutture formate sperimentalmente, ma de facto di tutte le strutture concepibili. Questo è uno sguardo importante dietro le quinte della formazione della struttura".

Proprietà interfacciali con blocchi modulari

L'interazione non intuitiva di meccanismi di interazione altrettanto importanti rimane una sfida per la progettazione di interfacce funzionali. Con un'indagine dettagliata di tutte le forze trainanti, però, i fisici della TU Graz sono comunque in grado di escogitare un principio progettuale per l'autoassemblaggio di molecole funzionalizzate per una data classe di molecole. Una volta che ci sono abbastanza analisi per diverse classi di molecole, le molecole giuste per le proprietà interfacciali desiderate possono essere facilmente assemblate al computer da blocchi modulari.