Een multidisciplinair team van de University of Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) heeft een belangrijke doorbraak aangetoond in het gebruik van geautomatiseerde synthese om nieuwe moleculen voor organische elektronische toepassingen te ontdekken.

De technologie die de ontdekking mogelijk maakte, is gebaseerd op een geautomatiseerd platform voor snelle moleculaire synthese op grote schaal - wat een game-changer is op het gebied van organische elektronica en daarbuiten. Met behulp van geautomatiseerde synthese was het team in staat om snel door een bibliotheek van moleculen met nauwkeurig gedefinieerde structuren te scannen, en zo, via karakteriseringsexperimenten met één molecuul, een nieuw mechanisme voor hoge geleiding bloot te leggen. Het werk is zojuist gemeld in Nature Communications en is het eerste grote resultaat dat naar voren komt uit het Molecule Maker Lab, dat is gevestigd in het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de University of Illinois Urbana-Champaign.

De onverwacht hoge geleidbaarheid werd ontdekt in experimenten onder leiding van Charles M. Schroeder, James Economy Professor in materiaalwetenschap en techniek en professor in chemische en biomoleculaire engineering. Het doel van het project was om op zoek te gaan naar nieuwe moleculen met een sterke geleidbaarheid die geschikt zouden kunnen zijn voor gebruik in moleculaire elektronica of organische elektronica. De aanpak van het team was om systematisch veel verschillende zijketens aan moleculaire backbones toe te voegen om te begrijpen hoe de zijketens de geleiding beïnvloedden.

De eerste fase van het project bestond uit het synthetiseren van een grote bibliotheek van te karakteriseren moleculen met behulp van elektronica-experimenten met één molecuul. Als de synthese met conventionele methoden was gedaan, zou het een lang en omslachtig proces zijn geweest. Die inspanning werd vermeden door gebruik te maken van het geautomatiseerde syntheseplatform van het Molecule Maker Lab, dat is ontworpen om moleculair ontdekkingsonderzoek te vergemakkelijken dat het testen van grote aantallen kandidaat-moleculen vereist.

Edward R. Jira, een Ph.D. student chemische &biomoleculaire engineering die een leidende rol speelde in het project, legde het concept van het syntheseplatform uit. "Wat echt krachtig is... is dat het gebruikmaakt van een op bouwstenen gebaseerde strategie waarbij alle chemische functionaliteit waarin we geïnteresseerd zijn vooraf is gecodeerd in bouwstenen die bankstabiel zijn, en je een grote bibliotheek kunt hebben van hen zitten op een plank," zei hij. Een enkel type reactie wordt herhaaldelijk gebruikt om de bouwstenen aan elkaar te koppelen als dat nodig is, en "omdat we deze diverse bouwsteenbibliotheek hebben die veel verschillende functionaliteit codeert, hebben we toegang tot een enorm scala aan verschillende structuren voor verschillende toepassingen."

Zoals Schroeder het uitdrukte:"Stel je voor dat je lego's in elkaar zet."

Co-auteur Martin D. Burke breidde de Lego-steen-analogie uit om uit te leggen waarom de synthesizer zo waardevol was voor de experimenten - en dat was niet alleen vanwege de snelle productie van de eerste moleculaire bibliotheek. "Vanwege de Lego-achtige benadering voor het maken van deze moleculen, kon het team begrijpen waarom ze supersnel zijn", legde hij uit. Toen de verrassend snelle toestand eenmaal was ontdekt, "met behulp van de 'Lego's', konden we de moleculen stuk voor stuk uit elkaar halen en verschillende 'Lego'-stenen verwisselen - en daardoor systematisch de structuur/functie-relaties begrijpen die tot deze ultrasnelle geleidbaarheid hebben geleid. "

doctoraat student Jialing (Caroline) Li, een expert in de karakterisering van single-molecule elektronica die de moleculen bestudeerde die door de synthesizer worden gegenereerd, legde de essentie uit van de ontdekking van geleidbaarheid. "We hebben vastgesteld dat de zijketens een enorme impact hebben op hoe het molecuul zich gedraagt ​​en hoe dit de efficiëntie van het ladingstransport over het hele molecuul beïnvloedt," zei ze. Het team ontdekte met name dat moleculaire verbindingen met lange alkylzijketens een onverwacht hoge geleiding hebben, die afhankelijk is van de concentratie. Ze ontdekten ook de reden voor de hoge geleidbaarheid:de lange alkylzijketens bevorderen oppervlakteadsorptie (het vermogen van het molecuul om aan een oppervlak te hechten), wat resulteert in planarisatie (in feite afvlakking) van de moleculen zodat elektronen er doorheen kunnen stromen ze efficiënter.

Burke, May en Ving Lee Professor voor Chemische Innovatie en hoogleraar scheikunde, noemde de bouwsteenbenadering een "een-tweetje":het maakt het platform "een krachtige motor voor zowel het ontdekken van de functie als het begrijpen van de functie."

De ontdekking van geleidbaarheid betekent een belangrijke vooruitgang op het gebied van organische elektronica.

"Halfgeleider-metaalinterfaces zijn alomtegenwoordig in elektronische apparaten. De verrassende vondst van een hoge geleidingstoestand veroorzaakt door metalen interfaces kan de weg vrijmaken voor een nieuw moleculair ontwerp voor zeer efficiënte ladingsinjectie en -verzameling in een breed scala aan elektronische toepassingen, "zei co- auteur Ying Diao, een I. C. Gunsalus Scholar, Dow Chemical Company Faculty Scholar, en universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering.

Schroeder legde uit dat organische elektronische materialen meerdere voordelen hebben. Om te beginnen vermijdt het gebruik ervan de noodzaak van metalen of andere anorganische elektronica. Maar organische elektronica biedt ook veel meer:​​vervormings- en elastische eigenschappen die voor sommige toepassingen van vitaal belang kunnen zijn, zoals implanteerbare medische apparaten die kunnen meebuigen en buigen met bijvoorbeeld een kloppend hart. Dergelijke organische apparaten kunnen zelfs worden ontworpen om in het lichaam af te breken, zodat ze afbreken en verdwijnen nadat hun werk is gedaan.

Sommige organische elektronica is al beschikbaar in commerciële producten. Organische light-emitting diodes (OLED) zijn bijvoorbeeld te vinden in de schermen van smartphones, smartwatches en OLED-tv's. De verwachting is dat organische zonnecellen ook op weg zijn om een ​​commercieel succes te worden. Maar de onderzoeksgemeenschap heeft slechts het oppervlak van het potentieel van organische elektronica bekrast; de vooruitgang is vertraagd door het gebrek aan ontdekkingen van belangrijke materialen zoals die zojuist door het UIUC-team zijn gedaan.

Schroeder zei dat het belangrijk is om te hebben bewezen dat "we grote bibliotheken voor verschillende toepassingen kunnen ontwerpen en synthetiseren." Het artikel "laat zien dat we het met succes hebben gedaan voor een klasse moleculen voor moleculaire elektronica." Hij gaf toe:"Ik had niet verwacht zoiets interessants te zien in deze eerste studie."

Co-auteur Jeffrey S. Moore, een Stanley O. Ikenberry Endowed Chair, professor in de chemie, en Howard Hughes Medical Institute Professor, reflecteerde op het werk:"Het bevorderen van fundamentele wetenschap en technologie door nieuwe faciliteiten te combineren met een samenwerkend team is wat maakt het Beckman Institute zo bijzonder. Deze ontdekking is de eerste van vele die uit het Molecule Maker Lab zullen komen."

Schroeder is van mening dat de Molecule Maker Lab-faciliteiten - die ook kunstmatige intelligentie-mogelijkheden bieden om te voorspellen welke moleculen waarschijnlijk de moeite waard zijn om te maken - een nieuwe benadering van onderzoek zullen openen in die zin dat "u kunt gaan nadenken over ontwerpen op basis van een functie in plaats van een structuur." Terwijl onderzoekers vandaag misschien beginnen met te zeggen:"Ik moet deze specifieke structuur maken omdat ik denk dat het iets gaat doen", zal het mogelijk zijn om het systeem te vertellen:"Ik wil deze ultieme functie krijgen", en laat het dan helpen je bedenkt welke structuren je moet maken om die functie te krijgen.

Het is de bedoeling om uiteindelijk de Molecule Maker Lab-faciliteiten beschikbaar te maken voor onderzoekers buiten UIUC. Burke zei dat hij graag zou zien dat het Lab "een wereldwijd epicentrum van gedemocratiseerde moleculaire innovatie wordt", waardoor mensen die geen moleculaire synthesespecialist zijn in staat worden gesteld om belangrijke onderzoeksproblemen op te lossen.

"Ik denk dat dit het begin is van iets heel speciaals", zei Burke. "De reis is begonnen." + Verder verkennen

Begrijpen hoe monomeersequentie de geleiding in 'moleculaire draden' beïnvloedt