En utilisant des méthodes d'apprentissage automatique, les chercheurs de la TU Graz peuvent prédire la formation de structures de molécules fonctionnalisées aux interfaces de matériaux hybrides. Maintenant, ils ont également réussi à regarder derrière les forces motrices de cette formation de structure.

La production de nanomatériaux implique des processus d'auto-assemblage de molécules fonctionnalisées (organiques) sur des surfaces inorganiques. Cette combinaison de composants organiques et inorganiques est essentielle pour les applications en électronique organique et dans d'autres domaines de la nanotechnologie.

Jusqu'à maintenant, certaines propriétés de surface souhaitées ont souvent été obtenues sur une base d'essais et d'erreurs. Les molécules ont été modifiées chimiquement jusqu'à ce que le meilleur résultat pour la propriété de surface souhaitée soit trouvé. Cependant, les processus contrôlant l'auto-assemblage des molécules aux interfaces sont si complexes que de petits changements moléculaires peuvent conduire à des motifs complètement différents. Des physiciens de la TU Graz expliquent cette formation de structure inattendue dans une étude publiée dans la célèbre revue ACS Nano .

Dans ce but, les chercheurs ont étudié les composés quinoïdes sur une surface argentée. Le premier auteur Andreas Jeindl de l'Institute of Solid State Physics explique :« Naïvement, on pourrait s'attendre à ce que des molécules de tailles légèrement différentes mais de même fonctionnalisation forment des motifs similaires. En contraste frappant, notre étude théorique et expérimentale conjointe montre que les quinones peuvent former des structures diverses. Malgré des conditions initiales constantes, la formation de ces structures ne peut pas être prédite et planifiée sans une connaissance détaillée des interactions pertinentes."

Trois forces motrices opposées

Les chercheurs de Graz, avec une équipe de la FSU Jena, ont maintenant commencé à briser cette imprévisibilité. Ils ont découvert que la formation de la structure est le résultat d'un compromis entre trois forces motrices opposées :l'interaction entre les molécules et le métal tente de forcer toutes les molécules dans la même orientation, tandis que l'interaction entre les molécules favorise parfois des orientations différentes. Les formes géométriques des molécules agissent alors comme un troisième facteur, empêchant ou ne permettant que partiellement certaines interactions.

Basé sur ceci, ils ont pu établir un principe de conception avec lequel les structures qui se forment aux interfaces, et par la suite leurs propriétés, peut être prédit, au moins pour une première classe de molécules. Un rôle essentiel est joué par un algorithme de recherche (SAMPLE) basé sur l'apprentissage automatique. Jeindl précise :« Nous avons pu montrer dans cette publication que les structures prédites par notre algorithme sont en excellent accord avec les caractérisations expérimentales des interfaces organiques-inorganiques, à la fois dans la façon dont les molécules s'orientent à la surface et dans la façon dont les motifs se répètent sur la surface. surface. De plus, notre analyse, pour la première fois, a permis une décomposition détaillée et quantitative des forces motrices, non seulement des structures formées expérimentalement, mais de facto de toutes les structures imaginables. Il s'agit d'un regard important dans les coulisses de la formation des structures."

Propriétés interfaciales avec des blocs de construction modulaires

L'interaction non intuitive de mécanismes d'interaction d'importance similaire reste un défi pour la conception d'interfaces fonctionnelles. Avec une enquête détaillée de toutes les forces motrices, cependant, les physiciens de la TU Graz sont néanmoins capables de concevoir un principe de conception d'auto-assemblage de molécules fonctionnalisées pour une classe de molécules donnée. Une fois qu'il y a suffisamment d'analyses pour différentes classes de molécules, les bonnes molécules pour les propriétés interfaciales souhaitées peuvent être facilement assemblées sur l'ordinateur à partir de blocs de construction modulaires.