Mindre er mere, når det kommer til at forudsige molekylers ledningsevne

Jo mindre og smartere telefoner og enheder bliver, jo større er behovet for at bygge mindre kredsløb. Fremadrettede videnskabsmænd i 1970'erne foreslog, at kredsløb kunne bygges ved hjælp af molekyler i stedet for ledninger, og i løbet af de sidste årtier er denne teknologi blevet til virkelighed.

Problemet er, nogle molekyler har særligt komplekse interaktioner, der gør det svært at forudsige, hvilke af dem der kan være gode til at fungere som miniaturekredsløb. Men et nyt papir fra to University of Chicago-kemikere præsenterer en innovativ metode, der reducerer beregningsomkostningerne og forbedrer nøjagtigheden ved at beregne interaktioner mellem elektronpar og ekstrapolere dem til resten af ​​molekylet.

"Nuværende modeller har en tendens til at overudsige konduktans, men vores teori overgår traditionelle modeller med så meget som en til to størrelsesordener, " sagde prof. David Mazciotti, der var medforfatter til avisen, udgivet 17. maj i Nature's Kommunikationskemi .

Alt fra bedre computerchips og batterier til grønnere måder at producere kemikalier på afhænger af at opdage nye former for kemi og materialer, og videnskabsmænd ser i stigende grad til computere for at søge efter nye kombinationer mere effektivt. I stedet for at prøve permutationer én efter én, de kan køre modeller, der forudsiger de bedste muligheder.

Men det er en delikat kunst, fordi disse beregninger i mange tilfælde kan forbruge computertid alarmerende hurtigt. I molekyler med mange interagerende elektroner, "du kan meget hurtigt ende med, at beregningsstørrelsen stiger eksponentielt med størrelsen af ​​molekylet, " sagde Mazziotti.

Mazziotti og kandidatstuderende Manas Sajjan satte sig for at forenkle, skabe en metode til at forudsige molekylær ledningsevne, der bruger interaktionen mellem to elektroner til at repræsentere alle interaktionerne. "For at tage et eksempel, for et bestemt molekyle kan den traditionelle metode kræve beregning med 1024 variabler, hvorimod vores har 109 variable - en kvadrillion færre variable, " sagde Sajjan. Det er forskellen mellem et problem, som du har brug for en supercomputer til, og et, du kan gøre på en bærbar computer.

Dette valg tillader en usædvanlig, men kraftfuld tilgang. Eksisterende teorier for molekylær ledningsevne tildeler et bestemt antal spændinger, der påføres molekylet for at forudsige et tal for den strøm, der derefter kunne strømme gennem det. Sajjan og Mazziotti vendte dette paradigme på hovedet. De fiksede strømmen først, og beregnede derefter spændingen. Dette viser sig at være meget mere præcist:Da de tjekkede deres metode med et velkendt molekyle, de så, at den udkonkurrerede traditionelle metoder med en-til-to størrelsesordener.

"Det, der er vigtigt, er, at det er virkelig strengt. Selv med ledningen er der stadig en en-til-en kortlægning med mange-elektronsystemet, " sagde Mazziotti. Processen med at sikre, at to-elektronsystemet stadig repræsenterer mange-elektronsystemet, er et meget udfordrende problem, der har eksisteret i 50 år, men han sagde, at det var kampen værd.

"Næsten alle de store problemer, som folk forsøger at løse, involverer arbejde med materialer, der er svære at udforske med traditionelle metoder, " sagde han. "Hvis vi bedre kan forudsige ledningsevnen, vi kan mere effektivt designe bedre molekyler og materialer."