Strato su strato

Le molecole vengono vaporizzate e si depositano su una superficie – questa fase di produzione nella fabbricazione di componenti organici potrebbe ora essere prevista già al computer utilizzando un nuovo metodo di simulazione.

Gli elementi organici non sono più un argomento di nicchia, soprattutto grazie ai moderni televisori con diodi organici a emissione di luce (OLED). Tuttavia, lo sviluppo di sistemi di materiali innovativi e sostenibili - dalla produzione delle molecole necessarie fino alla realizzazione di elementi funzionanti - rimane ancora un processo lungo. Ricercatori come Denis Andrienko del Max-Planck-Institut für Polymerforschung e Falk May di Display Solutions presso Merck hanno ora sviluppato un metodo di simulazione che potrebbe accelerare significativamente la ricerca di elementi organici adatti.

Alti contrasti, basso consumo energetico – queste sono le caratteristiche delle nuove diodi organici a emissione di luce. In questi dispositivi vengono utilizzate molecole organiche, cioè molecole contenenti carbonio. Tuttavia, anche altri componenti, come i transistor realizzati attualmente con il semiconduttore silicio, potrebbero in futuro essere sostituiti da elementi organici.

Tuttavia, ci sono diverse sfide: la sintesi delle molecole corrispondenti, così come la produzione di sottili strati di materiale appropriato. Questa fase è necessaria poiché gli elementi organici tipici sono costituiti da più strati sottili di materiali differenti.

Mentre le proprietà elettroniche delle nuove molecole possono essere previste già prima della sintesi mediante metodi di simulazione, prevedere come si comporteranno le molecole durante la produzione di strati sottili rappresenta una sfida: come si dispongono le molecole? Mostrano un’orientazione relativa? Quanto sarà liscia la superficie? A quale velocità devono essere vaporizzate le molecole – cioè, quante molecole al secondo devono depositarsi su una superficie?

Per prevedere la produzione degli strati, i team guidati da Denis Andrienko, responsabile del gruppo presso il MPI per la Polymerforschung, e Falk May di Merck hanno ora adottato un nuovo approccio. La difficoltà nella simulazione del processo di vaporizzazione è che, in teoria, ogni singolo atomo della molecola da simulare dovrebbe essere considerato. Per ottenere risultati accurati, sono necessari enormi capacità di calcolo: la molecola deve essere rappresentata spazialmente nel computer in modo molto dettagliato, per mappare ogni atomo. Inoltre, sono necessari passi temporali minimi di circa 2 femtosecondi – cioè 2 milioni di miliardesimi di secondo – per prevedere i movimenti molecolari in modo preciso.

„Anche con le capacità di calcolo odierne, una simulazione di questo tipo non è efficiente“, afferma Denis Andrienko. „Abbiamo quindi scelto un altro metodo: non guardiamo così da vicino!“. Nei modelli usati da Andrienko e dal suo team, le molecole non sono rappresentate fino al livello atomico, ma sono invece “ingrandite“. Questo metodo – chiamato Coarse Graining – rappresenta più un “contenitore che riempie la molecola” piuttosto che la molecola stessa.

Questo approccio accelera enormemente le simulazioni. Da un lato, non è più necessario rappresentare gli atomi con così alta risoluzione spaziale, dall’altro la riduzione dei gradi di libertà permette di effettuare salti temporali più grandi tra un passo di simulazione e l’altro. In questo modo, una simulazione può essere completata in un tempo molto più breve e già fornisce importanti informazioni qualitative e quantitative sulla molecola. In un esperimento, la produzione e il test di singoli film molecolari può richiedere molte volte più tempo.

Il team, che ha recentemente pubblicato i risultati sulla rivista „Advanced Energy Materials“, spera che il metodo di simulazione utilizzato possa semplificare e accelerare significativamente la produzione di nuovi elementi.