Molekulární elektronika slibuje nejvyšší možný stupeň miniaturizace počítačů a jiných strojů. V minulých dekádách bylo vyvinuto mnoho perspektivních molekulárních součástek (přepínačů, pamětí), ale sestavit je do složitějších systémů zatím nikdo neumí. Naším cílem je vyvinout metody nanovýroby pro molekulární elektroniku a fotoniku škálovatelné až do průmyslových měřítek, které propojí bio-mimetické přístupy samovolného sestavování, jako je DNA origami, s nejmodernějšími fotolitografickými metodami používanými v polovodičovém průmyslu. Klíčovým aspektem projektu je návrh programovatelných polymerních šablon, které fungují podobně jako DNA, ale na rozdíl od ní je lze polymerizovat světlem v bezvodém prostředí na povrchu iontových krystalů. Do sekvence těcho polymerů lze pak naprogramovat strukturní informace určující, na jaké místo v molekulárním čipu se při samovolném sestavení zapojí ta která molekulární součástka. Fotochemické reakce pak kovalentně spojí tyto předem uspořádané struktury tak, aby vznikl trvalý produkt. Tato metoda nanovýroby by měla umožnit atomárně přesnou výrobu molekulárních elektronických a fotonických součástek pod rozlišovací schopností fotolitografie a zároveň umožnit průmyslovou výrobu velkoplošných struktur s miliardami součástek, čímž se otevírá cesta k molekulárním nanočipům a počítačům.
Publikace
- Computational Design of Photosensitive Polymer Templates To Drive Molecular Nanofabrication, ACS Nano, 2024
Tento článek představuje základní principy navrhované metody nanovýroby využívající fotosenzitivní polymery pro sestavování molekulárních součástek a pro jejich kovalentní propojení pomocí UV fotolitografie. Studie se primárně zaměřuje na výběr vysoce selektivních komplementárních koncových skupin tvořených vodíkovými vazbami pomocí výpočetního screeningu. - Real Space Visualization of Entangled Excitonic States in Charged Molecular Assemblies, ACS Nano, 2021
Ve spolupráci s laboratoří skenovací luminiscenční mikroskopie (FZU) jsme experimentálně pozorovali provázané excitonové stavy v molekulárních supramolekulárních agregátech PTCDA na povrchu NaCl se sub-molekulárním rozlišením. Tato práce může vytvořit základ pro budoucí molekulární fotoniku a dokonce i kvantové výpočetní obvody, kde by jednotlivé molekuly podobných organických barviv mohly fungovat jako kvantové součásty. Během tohoto výzkumu jsme také vyvinuli rychlý software pro simulaci rezonanční interakce excitonů a pro simulaci obrázků excitonů v molekulárních agregátech získaných pomocí hrotem zesílené fluorescenční mikroskopie a mikroskopie atomárních sil.
FireCore: Integrované softwarové prostředí pro simulace v povrchové chemii
Pro efektivní výpočetní návrh molekulárních šablon, jejich samovolné uspořádaní do supramolekulárních struktur na povrchu iontových krystalů, a pro molekulární manipulaci pomocí AFM vyvijíme program propojující rychlé metody klasických silových polí s kvantovými metodami. Tento software je specifický tím, že se specificky zaměřuje na efektivní popis interakce malých organických molekul s anorganickým povrchem, který se snaží urychlit pomocí specializovaných výpočetních metod. Konkrétně:
- Rychlé klasické potenciály projektované na mřížku (GridFF), které výrazně překonávají rychlost výpočtu párových nevazebných interakcí mezi atomy molekuly a povrchu.
- GPU-akcelerovaná klasická silová pole, optimalizovaná pro práci s velkým množstvím kopií malých molekul (>1000 molekulárních replik) na jednom GPU, umožňující rychlé vzorkování konfigurací včetně globální optimalizace a výpočtu volné energie.
- Integrace kasických silových polí s programem na bázi funkcionálu hustoty Fireball (QM/MM) umožňuje efektivní modelování chemických reakcí.
- Moduly pro simulaci skenovací mikroskopie se sub-molekulárním rozlišením, které umožňují snadnou interpretaci experimentálních obrázků a jejich přiřazení různým molekulárním konfiguracím.
