Forstå hvordan monomersekvens påvirker konduktans i molekylære ledninger

Forskere i Schroeder og Moore-grupperne ved University of Illinois i Urbana-Champaign har offentliggjort en ny undersøgelse, der illustrerer, hvordan ændringer i polymersekvensen påvirker ladningstransportegenskaber. Dette arbejde krævede evnen til at bygge og studere kædemolekyler med høje præcisionsniveauer.

Papiret, "Ladetransport i sekvensdefinerede konjugerede oligomerer, " blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Kædemolekyler eller polymerer er allestedsnærværende i det moderne samfund, med organiske elektroniske materialer, der i stigende grad anvendes i solceller, fladskærme, og sensorer. Imidlertid, konventionelle materialer fremstilles generelt ved statistisk polymerisation, hvor rækkefølgen af ​​underenhederne eller monomererne - monomersekvensen - er tilfældig.

"Traditionelle polymerisationsmetoder giver os ikke et perfekt niveau af kontrol over sekvensen, sagde Charles Schroeder, associeret leder og Ray og Beverly Mentzer Professor i Chemical and Biomolecular Engineering og et fuldtids fakultetsmedlem ved Beckman Institute for Advanced Science and Technology. "Som resultat, det har været udfordrende at spørge, hvordan monomersekvensen påvirker dens egenskaber."

Forskerne udviklede en metode kaldet iterativ syntese til at håndtere problemet. "Proteinsyntese i vores celler sker ved at tilføje aminosyrerne en efter en. Vi bruger den samme metode til fremstilling af syntetiske polymerer, hvor vi tilføjer forskellige monomerer på en en-til-en måde. Dette giver os mulighed for præcist at kontrollere sekvensen i en lineær arrangement, " sagde Hao Yu, en kandidatstuderende i Schroeder-gruppen, og Moore-gruppen ledet af Jeff Moore, Stanley O. Ikenberry Begavet Chair og professor i kemi.

Efter at have lavet materialerne, forskerne studerede deres ladningstransportegenskaber ved hjælp af enkeltmolekyleteknikker. På denne måde de var i stand til at måle konduktansen gennem enkeltkæder, meget som en 'molekylær ledning'.

"Molekylære ledninger er generelt gode til at transportere ladning, " sagde Schroeder. "Vi ønskede at vide, hvordan ladningstransportegenskaberne ændres, hvis den overordnede sekvens ændres."

Yu tilføjede molekylære ankre i begge ender af kædemolekylet for at muliggøre karakteriseringen. "Vi brugte en teknik kaldet scanning tunneling microscope-break junction-metoden, hvor ankrene forbindes med to guldelektroder og danner et molekylært kryds, " sagde Songsong Li, en kandidatstuderende i Schroeder-gruppen. "Så pålægger vi en påført forspænding eller spænding over molekylet, og dette giver os mulighed for at måle ladningstransportegenskaberne for disse polymerer."

"I øjeblikket er syntesemetoden arbejdskrævende, " sagde Schroeder. "Vi går fremad, vi udvikler automatiserede syntesemetoder i Beckman Institute for at generere store biblioteker af sekvensdefinerede molekyler."

"Konsekvenserne af dette arbejde er betydelige, " sagde Dawanne Poree, programleder på Hærens Forskningskontor, der støtter arbejdet. "Det er ofte blevet spekuleret på, om de sekvensafhængige egenskaber, der observeres i biologiske polymerer, kunne oversættes til syntetiske polymere materialer. Dette arbejde repræsenterer et skridt i retning af at besvare dette spørgsmål. Derudover, dette arbejde giver nøgleindsigt i, hvordan molekylær struktur kan designes rationelt og manipuleres for at gøre materialer med designeregenskaber af interesse for hæren, såsom nanoelektronik, energi transport, molekylær kodning, og datalagring, selvhelbredende, og mere."