Anzeige
Some classes of molecules are capable of arranging themselves in specific patterns on surfaces. This ability to self-organize is crucial for many technological applications, which are dependend on the assembly of ordered structures on surfaces.
However, it has so far been virtually impossible to predict or control the result of such processes. Now a group of researchers led by Dr. Bianca Hermann, a physicist from the Center for Nanoscience (CeNS) at LMU Munich, reports a significant breakthrough: By combining statistical physics and detailed simulations with images obtained by scanning tunnelling microscopy (STM), the team has been able to formulate a simple model that can predict the patterns observed. "With the help of the model, we can generate a wide variety of patterns that reproduce surprisingly well the arrangements observed experimentally", says Hermann.
"We want to extend this approach to other surface symmetries. Already now the areas of molecular electronics, sensor applications, surface catalysis and organic photovoltaics can profit from our model. Its ability to predict structures formed by self-organization allows optimization of molecular building blocks prior to synthesis." (Nano Letters online, 16 February 2010)
When "mother nature" does the engineering, molecules can self-organize into complex structures – a first step in the formation of membranes, cells and other molecular systems. The principle of self-organization, which allows very economical use of resources, is also exploited in the production of functionalized surfaces required in molecular electronics, sensor applications, catalysis and photovoltaic components. The idea of the manufacturing process is that molecular components are brought into contact with a substrate material, and then "magically" find their preferred positions in the desired molecular network. The starting components are selected to display specific structural and chemical features intended for the envisaged application. However, the optimization of the molecular adlayers depends largely on a trial-and-error approach, and is therefore complicated and time-consuming.
To develop the new molecular-interaction site model, Dr. Herrmann's group collaborated with Priv. Doz. Dr. Thomas Franosch und Professor Erwin Frey within the Cluster of Excellence "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). The problem was tackled using an approach from statistical physics known as Monte Carlo method, which allows one to conduct a detailed computer simulation on the statistics of molecular interactions. The structural motifs so generated were compared with experimental high-resolution images of molecular patterns obtained by STM. Marta Balbás Gambra, a doctoral student, began each simulation with a mathematical representation of a collection of hundreds of randomly oriented particles of defined conformation. These schematic molecules were then perturbed by – computationally – adding energy, causing the population to adopt a new configuration.
Using this simulation strategy, one can generate a greater variety of patterns than are found naturally, and many of these corresponded closely to the real molecular patterns revealed by STM. "In one case we actually predicted a pattern that was only later verified with STM", reports doctoral student Carsten Rohr. According to the laws of thermodynamics, physical systems tend to adopt the state with the most favourable (i.e. lowest) energy. Experimental tests showed that different molecular configurations interconvert until an arrangement predominates that is reminiscent of tyre tracks. And indeed, the Monte Carlo approach had predicted that this arrangement corresponds to the state with the lowest energy.
"In the end, we were able to show that the molecular geometry and a few salient features encode the structural motifs observed", explains theorist Franosch. "We plan to extend the approach to other types of surface symmetries, but the model already provides an important theoretical tool, because it helps us to forecast the type of surface pattern that a given functional molecule will form. This means that the design of molecules can be optimized during the synthetic phase, so as to obtain surfaces with the desired characteristics", says Hermann. The physicists in the group, who come from different scientific backgrounds and were able to pool their expertise for this project, envisage multiple potential applications for their model in molecular electronics, sensor technology, catalysis and photovoltaics. Further possibilities include its use for predicting the results of other types of molecular interactions also on partially patterned substrates.
Publication: „Molecular Jigsaw: Pattern Diversity Encoded by Elementary Geometrical Features",
C. Rohr, M. Balbás Gambra, K. Gruber, E. C. Constable, E. Frey, T. Franosch, and B. A. Hermann
Nano Letters online, 16 February 2009
DOI: 10.1021/nl903225j
Contact:
Dr. Bianca Hermann
Cluster of Excellence "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) and Center for NanoScience (CeNS), LMU Munich; Walther Meissner Institute of the Bavarian Academy of Sciences and Humanities
Phone: +49 (0) 89 / 289 14258
Fax: +49 (0) 89 / 289 14206
E-mail: b.hermann@cens.de
Dr. Bianca Hermann | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.wmi.badw-muenchen.de/spm/
Weitere Berichte zu: CeNS > Gambra > LMU > molecular building blocks > molecular electronics > molecular interactions > molecular system > multiple potential applications > Nanosystem > NIM > Photovoltaics > sensor technology
Trennung von Blutzellen im Mikrofluss
24.05.2012 | Universität Augsburg
Nomads of the Galaxy
24.05.2012 | Kavli Foundation
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten