Daniel Packwood, Profesor Asociado Junior en el Instituto de Ciencias Integradas de Materiales Celulares de la Universidad de Kyoto iCeMS, está mejorando los métodos para construir pequeños "nanomateriales" utilizando un enfoque "de abajo hacia arriba" llamado "autoensamblaje molecular". Utilizando este método, las moléculas se eligen de acuerdo con su capacidad de interactuar espontáneamente y combinarse para formar formas con funciones específicas. En el futuro, este método se puede usar para producir alambres diminutos con diámetros de 1/100000 de los de un cabello o pequeños circuitos eléctricosque puede caber en la punta de una aguja.
El autoensamblaje molecular es un proceso espontáneo que no puede controlarse directamente por el equipo de laboratorio, por lo que debe controlarse indirectamente. Esto se hace eligiendo cuidadosamente la dirección de las interacciones intermoleculares, conocidas como "control químico" y eligiendo cuidadosamentetemperatura a la que ocurren estas interacciones, conocido como "control entrópico"
Los investigadores saben que cuando el control entrópico es muy débil, por ejemplo, las moléculas están bajo control químico y se ensamblan en la dirección de los sitios libres disponibles para la interacción molécula a molécula. Por otro lado, el autoensamblaje no ocurre cuandoEl control entrópico es mucho más fuerte que el control químico, y las moléculas permanecen dispersas al azar.
Hasta ahora, no ha sido posible para los investigadores adivinar qué tipos de estructuras resultarán del autoensamblaje molecular cuando el control entrópico no es débil ni fuerte en comparación con el control químico.
Packwood se asoció con colegas en Japón y los EE. UU. Para desarrollar un método computacional que les permita simular el autoensamblaje molecular en superficies metálicas mientras separan los efectos de los controles químicos y entrópicos.
Este nuevo método computacional utiliza la inteligencia artificial para simular cómo se comportan las moléculas cuando se colocan sobre una superficie metálica. Específicamente, se utiliza una técnica de "aprendizaje automático" para analizar una base de datos de interacciones intermoleculares. Esta técnica de aprendizaje automático crea un modelo que codificala información contenida en la base de datos y, a su vez, este modelo puede predecir el resultado del proceso de autoensamblaje molecular con alta precisión.
El equipo utilizó este método para estudiar el autoensamblaje de tres moléculas de hidrocarburos diferentes, cuyas estructuras varían en la fuerza de la dirección de sus interacciones intermoleculares. En otras palabras, variaron la fuerza del control químico cambiando la moléculabajo estudio.
Si bien un control químico más fuerte provocó que las moléculas se ensamblaran en estructuras en forma de cadena, se descubrió que los efectos de los controles entrópicos más fuertes eran más contraintuitivos. Por ejemplo, descubrieron que fortalecer el control entrópico podía transformar estructuras grandes y desordenadas en varias pequeñas, ordenadas,estructuras en forma de cadena. También mostraron que la formación de estructuras desordenadas resulta de un control químico débil en lugar de un control entrópico fuerte.
Estas predicciones, que se verificaron mediante comparaciones con imágenes microscópicas de alta resolución de moléculas reales en superficies metálicas, pueden conducir a la fabricación a gran escala y controlada de pequeños cables eléctricos y otros nanomateriales para dispositivos futuros. Los dispositivos fabricados con nanomateriales serían significativamentemás pequeño y más barato que la electrónica existente, y tendría una batería de larga duración debido al bajo consumo de energía.
"Mediante el desarrollo continuo de nuestro código y teoría, esperamos obtener reglas cada vez más detalladas para controlar el autoensamblaje molecular y ayudar al proceso de fabricación de nanomateriales de abajo hacia arriba", concluyen los investigadores en su estudio publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Kyoto . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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