Automatisk syntese giver mulighed for opdagelse af uventet ladningstransportadfærd i organiske molekyler

Et tværfagligt team fra University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) har demonstreret et stort gennembrud i brugen af ​​automatiseret syntese til at opdage nye molekyler til organisk elektronikapplikationer.

Teknologien, der muliggjorde opdagelsen, er afhængig af en automatiseret platform for hurtig molekylær syntese i skala - som er en game-changer inden for organisk elektronik og videre. Ved hjælp af automatiseret syntese var holdet i stand til hurtigt at scanne gennem et bibliotek af molekyler med præcist definerede strukturer og derved afsløre, via enkeltmolekyle karakteriseringseksperimenter, en ny mekanisme til høj ledningsevne. Arbejdet er netop blevet rapporteret i Nature Communications og er det første større resultat, der dukker op fra Molecule Maker Lab, som er placeret i Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois Urbana-Champaign.

Den uventede høje ledningsevne blev afsløret i eksperimenter ledet af Charles M. Schroeder, som er James Economy Professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og professor i kemisk &biomolekylær ingeniørvidenskab. Projektets mål var at opsøge nye molekyler med stærk ledningsevne, der kunne være velegnede til brug i molekylær elektronik eller organisk elektronikapplikationer. Holdets tilgang var systematisk at tilføje mange forskellige sidekæder til molekylære rygrader for at forstå, hvordan sidekæderne påvirkede konduktansen.

Den første fase af projektet bestod i at syntetisere et stort bibliotek af molekyler, der skulle karakteriseres ved hjælp af enkeltmolekyle elektronikforsøg. Hvis syntesen var blevet udført med konventionelle metoder, ville det have været en lang, besværlig proces. Denne indsats blev undgået ved brug af Molecule Maker Labs automatiserede synteseplatform, som var designet til at lette molekylær opdagelsesforskning, der kræver test af et stort antal kandidatmolekyler.

Edward R. Jira, en ph.d. studerende i kemi- og biomolekylær teknik, der havde en ledende rolle i projektet, forklarede synteseplatformens koncept. "Det, der virkelig er kraftfuldt... er, at det udnytter en byggeklodsbaseret strategi, hvor al den kemiske funktionalitet, som vi er interesseret i, er præ-kodet i byggeklodser, der er bænkstabile, og du kan have et stort bibliotek af dem sidder på en hylde," sagde han. En enkelt type reaktion bruges gentagne gange til at koble byggeklodserne sammen efter behov, og "fordi vi har dette mangfoldige byggeklodsbibliotek, der koder for en masse forskellig funktionalitet, kan vi få adgang til et stort udvalg af forskellige strukturer til forskellige applikationer."

Som Schroeder udtrykte det:"Forestil dig at knipse legos sammen."

Medforfatter Martin D. Burke udvidede Lego-klods-analogien for at forklare, hvorfor synthesizeren var så værdifuld for eksperimenterne – og det var ikke kun på grund af den hurtige produktion af det oprindelige molekylære bibliotek. "På grund af den Lego-lignende tilgang til fremstilling af disse molekyler, var holdet i stand til at forstå, hvorfor de er superhurtige," forklarede han. Når først den overraskende hurtige tilstand blev opdaget, "ved at bruge 'Lego'erne', kunne vi skille molekylerne ad stykke for stykke og bytte i forskellige 'Lego'-klodser – og derved systematisk forstå de struktur/funktionsforhold, der førte til denne ultrahurtige ledningsevne. "

Ph.D. studerende Jialing (Caroline) Li, en ekspert i karakterisering af enkelt-molekyle elektronik, som studerede molekylerne genereret af synthesizeren, forklarede essensen af ​​konduktivitetsopdagelsen. "Vi observerede, at sidekæderne har en enorm indflydelse på, hvordan molekylet opfører sig, og hvordan dette påvirker ladningstransporteffektiviteten på tværs af hele molekylet," sagde hun. Specifikt opdagede holdet, at molekylære forbindelser med lange alkylsidekæder har en uventet høj ledningsevne, som er afhængig af koncentration. De fandt også ud af årsagen til den høje ledningsevne:De lange alkylsidekæder fremmer overfladeadsorption (molekylets evne til at klæbe til en overflade), hvilket resulterer i planarisering (faktisk udfladning) af molekylerne, således at elektroner kan strømme igennem dem mere effektivt.

Burke, som er May og Ving Lee-professor for kemisk innovation og professor i kemi, kaldte byggeklodstilgangen et "et-to slag":det gør platformen til "en kraftfuld motor til både at opdage funktion og derefter forstå funktion."

Konduktans-opdagelsen repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for organisk elektronik.

"Halvleder-metal-grænseflader er allestedsnærværende i elektroniske enheder. Det overraskende fund af en høj konduktanstilstand induceret af metalliske grænseflader kan bane vejen for nyt molekylært design for højeffektiv ladningsinjektion og -opsamling på tværs af en bred vifte af elektroniske applikationer," sagde co- forfatter Ying Diao, en I. C. Gunsalus Scholar, Dow Chemical Company Faculty Scholar og lektor i kemisk og biomolekylær teknik.

Schroeder forklarede, at organiske elektroniske materialer har flere fordele. Til at begynde med undgår deres brug behovet for metaller eller anden uorganisk elektronik. Men organisk elektronik tilbyder også meget mere:Deformation og elastiske egenskaber, der kan være afgørende for nogle applikationer, såsom implanterbart medicinsk udstyr, der kan bøje og bøje sammen med for eksempel et bankende hjerte. Sådanne organiske enheder kunne endda være designet til at nedbrydes i kroppen, så de nedbrydes og forsvinder, efter deres arbejde er udført.

Nogle økologiske elektronik er allerede tilgængelig i kommercielle produkter. For eksempel kan organiske lysemitterende dioder (OLED) findes på skærmene på smartphones, smarture og OLED-tv. Det forventes, at organiske solceller også er på vej til at blive en kommerciel succes. Men forskningsmiljøet har kun ridset overfladen af ​​organisk elektroniks potentiale; fremskridt er blevet bremset af manglen på vigtige materialeopdagelser som den, UIUC-teamet netop har gjort.

Schroeder sagde, at det er vigtigt at have bevist, at "vi kan designe og syntetisere store biblioteker til forskellige applikationer." Papiret "viser det faktum, at vi med succes gjorde det for en klasse af molekyler til molekylær elektronik." Han indrømmede:"Jeg forventede ikke at se noget så interessant i denne første undersøgelse."

Medforfatter Jeffrey S. Moore, som er en Stanley O. Ikenberry Endowed Chair, professor i kemi, og Howard Hughes Medical Institute Professor, reflekterede over arbejdet:"At fremme grundlæggende videnskab og teknologi ved at kombinere nye faciliteter med et samarbejdende team er, hvad gør Beckman Institute så specielt. Denne opdagelse er den første af mange, der kommer fra Molecule Maker Lab."

Schroeder mener, at Molecule Maker Lab-faciliteterne - som også tilbyder kunstig intelligens-funktioner til at forudsige, hvilke molekyler der sandsynligvis vil være værd at lave - vil åbne op for en ny tilgang til forskning i, at "du kan begynde at tænke på at designe baseret på en funktion i stedet for en struktur." Mens forskere i dag måske starter med at sige:"Jeg er nødt til at lave denne særlige struktur, fordi jeg tror, ​​den vil gøre noget," vil det være muligt at fortælle systemet, "jeg vil have denne ultimative funktion," og så lade det hjælpe du finder ud af, hvilke strukturer du skal lave for at få den funktion.

Hensigten er på sigt at gøre Molecule Maker Lab-faciliteterne tilgængelige for forskere uden for UIUC. Burke sagde, at han gerne ville se laboratoriet "blive et globalt epicenter for demokratiseret molekylær innovation", der giver folk, der ikke er specialister i molekylær syntese, mulighed for at løse vigtige forskningsproblemer.

"Jeg tror, ​​det er begyndelsen på noget helt særligt," sagde Burke. "Rejsen er begyndt." + Udforsk yderligere

Forstå, hvordan monomersekvens påvirker konduktans i 'molekylære ledninger'