Research direction - ProkopHapala/FireCore GitHub Wiki
Computational Design of Photosensitive Polymer Templates for Nanofabrication of Molecular Computers
Molecular electronics holds the potential for the ultimate miniaturization of computing and other machines. However, its widespread application is hindered by the lack of scalable nanofabrication methods. Our goal is to develop scalable bottom-up fabrication methods for molecular electronics and nanotechnology that bridge bio-mimetic bottom-up approaches like DNA origami with state-of-the-art top-down photolithography. A central focus of the project is the design of programmable polymer templates that function similarly to DNA but, unlike DNA, are photosensitive and operate in anhydrous environment of the surface of ionic crystals. These polymers encode structural information that drive deterministic assembly of molecular components, while photo-chemical reactions ensure the covalent bonding of these pre-assembled structures. Ultimately, such nanofabrication method should allow atomically precise assembly of molecular electronic and photonic components below the resolution limits of photolithography, while also enabling mass-fabrication of large-scale structures with billions of components, paving the way for molecular nano-chips and computers.
Publications
-
- This paper introduces the foundational principles of a new nanofabrication method utilizing photosensitive polymers for molecular component assembly, integrating seamlessly with UV photolithography. The study primarily focuses on selecting highly selective complementary hydrogen-bonding end-groups through computational screening.
-
- In collaboration with the Scanning Probe Luminescence Microscopy Lab of FZU, we experimentally observed entangled excitonic states in molecular assemblies of PTCDA molecules on a NaCl substrate with sub-molecular resolution. This work may lay a foundation for future molecular photonics and even quantum computing circuits, where individual molecular dyes could function as quantum circuit elements. During this research, we also developed software for simulating resonant coupling and imaging of molecular aggregates using near-field spectromicroscopy and AFM.
Software Development
FireCore: Integrated Simulation for On-Surface Chemistry
For efficient desing of molecular assemblers, templated synthesis and simulation of on-surface chemical process in general, we are developing FireCore, an integrated multi-scale simulation platform specifically dedicated to molecular surface-science. For this purpose FireCore includes several spetialized or optimized methods which makes it more efficient than general purpose software (e.g. LAMMPS) in this specific domain:
- Efficient molecular-substrate interaction modeling using fast grid-projected force-fields (GridFF), which significantly outperform traditional pairwise classical force-fields in speed (and under some conditions can also improve accuracy).
- GPU-accelerated classical force fields, optimized for paralel simulation of many instances of simple molecules (>1000 molecular replicas) on a single GPU, allowing high-throughput configuration sampling, including global optimization and free-energy sampling.
- Integration of classical force-fields with density-functional (tight-binding) (DFT/DFTB) package Fireball, enabling efficient QM/MM modeling of chemical reactions.
- High-resolution AFM simulation modules that allow for easy interpretation of experimental images by rapid exploration of simulated images of different molecular configurations on the surface.
Počítačový návrh fotosenzitivních polymerních šablon pro nanovýrobu molekulárních počítačů
Molekulární elektronika slibuje nejvyžší možný stupeň miniaturizace počítačů a jiných strojů. V minylých 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 bottom-up samo-skladby, jako je DNA origami, s nejmodernějšími top-down 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 informaci určující na jaké místo v molekulárním čipu se samo-skladbou zapojí která molekulární spučástka. fotochemické reakce pak kovalentně spojí tyto předem samo-uspořádané struktury tak aby vznikl trvalý produkt. Tato metoda nanovýroby by tak měla umožnit atomárně přesnou montáž molekulárních elektronických a fotonických součástek pod rozlišovací schopností fotolitografie, a zároveň umožnit hromadnou výrobu velkoplošných struktur s miliardami součástek, čímž se otevírá cesta k molekulárním nanočipům a počítačům.
Publikace
-
- Tento článek představuje základní principy navrhované metody nanovýroby využívající fotosenzitivní polymery pro sestavování molekulárních součástek a jejich kovalentní propojení pomocí UV fotolitografie. Studie se primárně zaměřuje na výběr vysoce selektivních komplementárních koncových skupin tvořených vodíkovými vazbami pomocí výpočetního screeningu.
-
- Ve spolupráci s Laboratoří skenovací sondové luminiscenční mikroskopie FZU jsme experimentálně pozorovali provázané excitonové stavy v molekulárních supramolekulárních agregatech PTCDA na povrchu NaCl s 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 jednak rezonanční interakce excitonů a jednak pro simulaci obrázků excitonů v molekulárních agregáte získaných pomocí hrotem zesílené fluorescenční mikroskopie a mikroskopie atomových sil.
Vývoj softwaru
FireCore: Integrované prostředí pro simulace v povrchové chemii
Pro effektivní výpočetní návrh molekulárních šablon, jejich samo-uspořádaní do supramolekulárních struktur na povrchu iontových krystalů, a molekulární manipulaci pomocí AFM, vyvijíme program propojující rychlé metody klasických silových polí, s kvantovými metodami. Tento software je specifický právě tím že se zaměřuje na efektivní popis interakce malých organizkých molekul s anorganickým povrchem, který se snaží urychlit pomocí specializovaných výpočetních metod. Konkrétně:
- rychlé klasické potenciály projektované na mřížku (GridFF), která 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 funckionalu eletronové hustoty Fireball (QM/MM) umožňuje efektivní modelování chemických reakcí.
- Moduly pro simulaci skanovací mikroskopie s sub-molekularním rozlišením, které umožňují snadnou interpretaci experimentálních obrázků a jejich přiřazení různým molekulárním konfiguracím.