Et nyt periodisk system for nanomaterialer

En ny tilgang kan hjælpe materialeforskere med at identificere de passende molekyler, der skal bruges til at syntetisere målnanomaterialer. Metoden er udviklet af Daniel Packwood fra Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) og Taro Hitosugi fra Tokyo Institute of Technology. Det indebærer at forbinde molekylernes kemiske egenskaber med de nanostrukturer, der dannes som et resultat af deres interaktion. En machine learning-teknik genererer data, der derefter bruges til at udvikle et diagram, der kategoriserer forskellige molekyler i henhold til de nanostørrelser, de danner.

Fremstilling af nanomaterialer ved hjælp af en bottom-up tilgang kræver at finde forstadier molekyler, der interagerer og justerer korrekt med hinanden, når de selv samles. Men det har været en stor udfordring at vide, hvordan precursor-molekyler vil interagere, og hvilke former de vil danne.

Bottom-up fremstilling af grafen nanobånd får stor opmærksomhed på grund af deres potentielle brug i elektronik, vævsteknik, konstruktion, og bio-billeddannelse. En måde at syntetisere dem på er ved at bruge bianthracen-precursormolekyler, der har bromfunktionelle grupper knyttet til sig. Bromgrupperne interagerer med et kobbersubstrat for at danne kæder i nanostørrelse. Når disse kæder opvarmes, de bliver til grafen -nanoribbons.

Packwood og Hitosugi testede deres simulator ved hjælp af denne metode til at bygge grafen nanobånd.

Modellen bruger data om de kemiske egenskaber af en række molekyler, der kan knyttes til bianthracen for at funktionalisere det og lette dets interaktion med kobber. Dataene gik gennem en række processer, der i sidste ende førte til dannelsen af ​​et dendrogram.

Dette viste, at binding af brintmolekyler til bianthracen førte til udviklingen af ​​stærke endimensionelle nanokæder. Fluor, brom, klor, amidogen og vinyl funktionelle grupper førte til dannelsen af ​​moderat stærke nanokæder. Trifluormethyl- og methylfunktionelle grupper førte til dannelsen af ​​svage endimensionelle øer af molekyler, og hydroxid- og aldehydgrupper førte til dannelsen af ​​stærke todimensionelle fliseformede øer.

Informationen produceret i dendogrammet ændrede sig baseret på de angivne temperaturdata. Ovenstående kategorier gælder, når interaktionerne udføres ved -73°C. Resultaterne ændrede sig med varmere temperaturer. Forskerne anbefaler at anvende dataene ved lave temperaturer, hvor virkningen af ​​de funktionelle gruppers kemiske egenskaber på nano-former er mest tydelig.

Teknikken kan anvendes på andre substrater og precursormolekyler. Forskerne beskriver deres metode som analog med det periodiske system med kemiske grundstoffer, hvilke grupper atomer baseret på, hvordan de binder til hinanden. "Imidlertid, for virkelig at bevise, at dendrogrammerne eller andre informatikbaserede tilgange kan være lige så værdifulde for materialevidenskaben som det periodiske system, vi skal indarbejde dem i et ægte nanomaterialefremstillingseksperiment fra bunden opad, " konkluderer forskerne i deres undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation . "Vi forfølger i øjeblikket denne retning i vores laboratorier."