Entender las interfaces de los materiales híbridos con el aprendizaje automático
Un principio de diseño para el autoensamblaje de moléculas funcionalizadas ideado
Utilizando métodos de aprendizaje automático, los investigadores de la Universidad Técnica de Graz pueden predecir la formación de estructuras de moléculas funcionalizadas en las interfaces de los materiales híbridos. Ahora también han conseguido analizar las fuerzas motrices de esta formación de estructuras.
La ilustración muestra las estructuras superficiales tan diferentes que se forman para las tres moléculas estudiadas cuando se adsorben en una superficie metálica.
© Jeindl - TU Graz
La producción de nanomateriales implica procesos de autoensamblaje de moléculas funcionalizadas (orgánicas) sobre superficies inorgánicas. Esta combinación de componentes orgánicos e inorgánicos es esencial para las aplicaciones de la electrónica orgánica y otras áreas de la nanotecnología.
Hasta ahora, ciertas propiedades superficiales deseadas se conseguían a menudo a base de ensayo y error. Las moléculas se modificaban químicamente hasta encontrar el mejor resultado para la propiedad superficial deseada. Sin embargo, los procesos que controlan el autoensamblaje de las moléculas en las interfaces son tan complejos que pequeños cambios moleculares pueden dar lugar a motivos completamente diferentes. Físicos de la Universidad Técnica de Graz explican esta inesperada formación de estructuras en un estudio publicado en la revista ACS Nano. Para ello, los investigadores estudiaron compuestos de quinoides sobre una superficie de plata. El primer autor, Andreas Jeindl, del Instituto de Física del Estado Sólido, explica: "Ingenuamente, cabría esperar que moléculas con tamaños ligeramente diferentes pero con la misma funcionalización formaran motivos similares. En cambio, nuestro estudio teórico y experimental conjunto demuestra que las quinonas pueden formar estructuras diversas. A pesar de las condiciones iniciales constantes, la formación de estas estructuras no puede predecirse ni planificarse sin un conocimiento detallado de las interacciones relevantes."
Tres fuerzas motrices opuestas
Los investigadores de Graz, junto con un equipo de la FSU de Jena, han comenzado a descifrar esta imprevisibilidad. Han descubierto que la formación de la estructura es el resultado de un equilibrio entre tres fuerzas motrices opuestas: La interacción entre las moléculas y el metal intenta forzar a todas las moléculas a adoptar la misma orientación, mientras que la interacción entre las moléculas favorece a veces orientaciones diferentes. Las formas geométricas de las moléculas actúan entonces como un tercer factor, impidiendo o permitiendo sólo parcialmente ciertas interacciones.
Basándose en esto, pudieron establecer un principio de diseño con el que se pueden predecir las estructuras que se forman en las interfaces, y posteriormente sus propiedades, al menos para una primera clase de moléculas. Un algoritmo de búsqueda (SAMPLE) basado en el aprendizaje automático desempeña un papel esencial. Jeindl explica: "En esta publicación hemos podido demostrar que las estructuras predichas por nuestro algoritmo concuerdan perfectamente con las caracterizaciones experimentales de las interfaces orgánico-inorgánicas, tanto en lo que se refiere a la orientación de las moléculas en la superficie como a la repetición de los motivos en la misma. Además, nuestro análisis permitió, por primera vez, un desglose detallado y cuantitativo de las fuerzas motrices, no sólo de las estructuras formadas experimentalmente, sino de facto de todas las estructuras concebibles. Se trata de una mirada importante entre los bastidores de la formación de estructuras".
Propiedades interfaciales con bloques de construcción modulares
La interacción no intuitiva de mecanismos de interacción igualmente importantes sigue siendo un reto para el diseño de interfaces funcionales. Sin embargo, con una investigación detallada de todas las fuerzas motrices, los físicos de la Universidad Técnica de Graz son capaces de idear un principio de diseño para el autoensamblaje de moléculas funcionalizadas para una clase determinada de moléculas. Una vez que hay suficientes análisis para diferentes clases de moléculas, las moléculas adecuadas para las propiedades interfaciales deseadas pueden ensamblarse fácilmente en el ordenador a partir de bloques de construcción modulares.
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