Самосборка молекул — это спонтанный процесс, которым нельзя управлять напрямую с помощью лабораторного оборудования, поэтому им необходимо управлять косвенно. Это достигается путем тщательного выбора направления межмолекулярных взаимодействий, известного как «химический контроль», и тщательного выбора температуры, при которой происходят эти взаимодействия, известной как «энтропийный контроль».
Исследователи знают, что когда энтропийный контроль очень слаб, например, молекулы находятся под химическим контролем и собираются в направлении свободных участков, доступных для межмолекулярного взаимодействия. С другой стороны, самосборка не происходит, когда энтропийный контроль намного сильнее, чем химический, и молекулы остаются беспорядочно рассредоточенными.До сих пор исследователи не могли догадаться, какие структуры появятся в результате самосборки молекул, если энтропийный контроль не является ни слабым, ни сильным по сравнению с химическим контролем.Паквуд объединился с коллегами из Японии и США для разработки вычислительного метода, который позволяет им моделировать самосборку молекул на металлических поверхностях, разделяя эффекты химического и энтропийного контроля.
Этот новый вычислительный метод использует искусственный интеллект для моделирования поведения молекул, помещенных на металлическую поверхность. В частности, метод «машинного обучения» используется для анализа базы данных межмолекулярных взаимодействий. Этот метод машинного обучения создает модель, которая кодирует информацию, содержащуюся в базе данных, и, в свою очередь, эта модель может предсказать результат процесса молекулярной самосборки с высокой точностью.Команда использовала этот метод для изучения самосборки трех разных углеводородных молекул, структуры которых различаются по силе направления их межмолекулярных взаимодействий.
Другими словами, они варьировали силу химического контроля, изменяя исследуемую молекулу.В то время как более сильный химический контроль заставлял молекулы собираться в цепочечные структуры, эффекты более сильного энтропийного контроля оказались более противоречивыми. Например, они обнаружили, что усиление энтропийного контроля может трансформировать большие неупорядоченные структуры в несколько маленьких упорядоченных цепочечных структур.
Они также показали, что образование неупорядоченных структур является результатом слабого химического контроля, а не сильного энтропийного контроля.Эти прогнозы, которые были подтверждены сравнением с микроскопическими изображениями реальных молекул на металлических поверхностях с высоким разрешением, могут привести к контролируемому крупномасштабному производству крошечных электрических проводов и других наноматериалов для будущих устройств.
Устройства, изготовленные из наноматериалов, будут значительно меньше и дешевле, чем существующая электроника, и будут иметь очень долгий срок службы батарей из-за низкого потребления энергии.«Продолжая развитие нашего кода и теории, мы ожидаем получить все более подробные правила для управления молекулярной самосборкой и содействия восходящему процессу производства наноматериалов», — заключают исследователи в своем исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications.