Organická chemie na površích krystalů ve spojení s rastrovacími mikroskopy představuje unikátní nástroj k prototypování molekulárních strojů a ke studiu jejich funkce [1]. Tento vznikající obor ale zatím postrádá teoretické zázemí a simulační software, které by byly srovnatelné se situací např. v biochemií. V projektu se pokusíme překonat tato omezení a s pomocí počítačových simulací navrhnout univerzální molekulární architekturu (inspirovanou DNA origami [2]), která se sama od sebe sestavuje do předprogramovaných struktur na atomárně hladkém povrchu krystalu. Tyto molekuly by též mohly sloužit k řízení sestavování jiných funkčních molekulárních komponent (například molekulárních přepínačů, transistorů, pamětí, motorů nebo fotoaktivních center) do složitějších celků. Projektem se snažíme započít cestu, která může v dlouhodobém horizontu vést až k masové produkci molekulárních počítačů a dalších složitých nanostrojů.
Počítačový návrh molekul bude prováděn za pomoci nově vyvíjeného simulačního software, kombinujícího kvantové výpočetní metody [3] a klasická silová pole optimalizovaná pro bezvodé prostředí. Od studenta se předpokládá účast na vývoji tohoto software, a proto je žádoucí předchozí zkušenost s programováním (nebo přinejmenším zájem se programování učit). Počítačové simulace prováděné studentem a vyvíjený software budou v rámci spoluprací s předními světovými laboratořemi [4] poskytovat teoretickou podporu AFM/STM experimentům.
- Towards single molecule switches
Zhang, J. L., et al., Chemical Society Reviews 44(10), 2998–3022 (2015). - Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology
Pinheiro, A. V., et al., Nature Nanotechnology 6(12), 763–772 (2011). - FIREBALL/AMBER: An efficient local-orbital DFT QM/MM method for biomolecular systems
Mendieta-Moreno, J. I., et al., Journal of Chemical Theory and Computation 10(5), 2185–2193 (2014). - The effect of hydration number on the interfacial transport of sodium ions
Peng, J., et al., Nature 557(7707), 701–705 (2018).