Ett tvärvetenskapligt team från University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) har visat ett stort genombrott i att använda automatiserad syntes för att upptäcka nya molekyler för organisk elektroniktillämpningar.

Tekniken som möjliggjorde upptäckten förlitar sig på en automatiserad plattform för snabb molekylär syntes i stor skala – vilket är en spelförändring inom området organisk elektronik och vidare. Med hjälp av automatiserad syntes kunde teamet snabbt skanna igenom ett bibliotek av molekyler med exakt definierade strukturer, och därigenom avslöja, genom experiment med karakterisering av en molekyl, en ny mekanism för hög konduktans. Arbetet rapporterades precis i Nature Communications och är det första stora resultatet som kommer från Molecule Maker Lab, som är beläget i Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois Urbana-Champaign.

Den oväntat höga konduktansen avslöjades i experiment ledda av Charles M. Schroeder, som är James Economy Professor i materialvetenskap och teknik och professor i kemi- och biomolekylär teknik. Projektets mål var att söka efter nya molekyler med stark konduktivitet som kan vara lämpliga för användning i molekylär elektronik eller organisk elektronikapplikationer. Teamets tillvägagångssätt var att systematiskt lägga till många olika sidokedjor till molekylära ryggrader för att förstå hur sidokedjorna påverkade konduktansen.

Det första steget i projektet bestod av att syntetisera ett stort bibliotek av molekyler som skulle karakteriseras med hjälp av enmolekylära elektronikexperiment. Om syntesen hade gjorts med konventionella metoder hade det varit en lång, krånglig process. Den ansträngningen undveks genom användning av Molecule Maker Labs automatiserade syntesplattform, som utformades för att underlätta molekylär upptäcktsforskning som kräver testning av ett stort antal kandidatmolekyler.

Edward R. Jira, en Ph.D. student i kemi &biomolekylär teknik som hade en ledande roll i projektet, förklarade syntesplattformens koncept. "Det som verkligen är kraftfullt... är att det utnyttjar en byggstensbaserad strategi där all kemisk funktionalitet som vi är intresserade av är förkodade i byggblock som är bänkstabila, och du kan ha ett stort bibliotek av dem som sitter på en hylla", sa han. En enda typ av reaktion används upprepade gånger för att koppla ihop byggstenarna efter behov, och "eftersom vi har det här mångsidiga byggblocksbiblioteket som kodar för många olika funktioner, kan vi få tillgång till ett stort utbud av olika strukturer för olika applikationer."

Som Schroeder uttryckte det, "Tänk dig att knäppa ihop legos."

Medförfattaren Martin D. Burke utökade lego-klossanalogin för att förklara varför synthesizern var så värdefull för experimenten – och det var inte bara på grund av den snabba produktionen av det ursprungliga molekylbiblioteket. "På grund av det legoliknande tillvägagångssättet för att tillverka dessa molekyler kunde teamet förstå varför de är supersnabba", förklarade han. När det förvånansvärt snabba tillståndet väl upptäcktes, "med hjälp av 'Legos' kunde vi ta isär molekylerna bit för bit och byta in olika 'Lego'-klossar - och därigenom systematiskt förstå struktur/funktionsrelationerna som ledde till denna ultrasnabba konduktivitet. "

Ph.D. student Jialing (Caroline) Li, en expert på karakterisering av en molekylelektronik som studerade molekylerna som genererades av syntetiseraren, förklarade kärnan i konduktivitetsupptäckten. "Vi observerade att sidokedjorna har en enorm inverkan på hur molekylen beter sig och hur detta påverkar laddningstransporteffektiviteten över hela molekylen", sa hon. Specifikt upptäckte teamet att molekylära förbindelser med långa alkylsidokedjor har oväntat hög konduktans, vilket är beroende av koncentration. De tog också reda på orsaken till den höga ledningsförmågan:De långa alkylsidokedjorna främjar ytadsorption (molekylens förmåga att vidhäfta en yta), vilket resulterar i planarisering (i själva verket plattas ut) av molekylerna så att elektroner kan strömma igenom dem mer effektivt.

Burke, som är May och Ving Lee-professorn för kemisk innovation och professor i kemi, kallade byggstensmetoden för ett "ett-två slag":det gör plattformen till "en kraftfull motor för både att upptäcka funktioner och sedan förstå funktion."

Konduktansupptäckten representerar ett betydande framsteg för området organisk elektronik.

"Halvledare-metall-gränssnitt är allestädes närvarande i elektroniska enheter. Den överraskande upptäckten av ett högkonduktanstillstånd som induceras av metalliska gränssnitt kan bana väg för ny molekylär design för högeffektiv laddningsinjektion och -uppsamling över ett brett spektrum av elektroniska applikationer," sa co- författaren Ying Diao, en I. C. Gunsalus Scholar, Dow Chemical Company Faculty Scholar och docent i kemi- och biomolekylär teknik.

Schroeder förklarade att organiska elektroniska material har flera fördelar. Till att börja med undviker deras användning behovet av metaller eller annan oorganisk elektronik. Men organisk elektronik erbjuder också mycket mer:deformation och elastiska egenskaper som kan vara avgörande för vissa applikationer, som implanterbara medicinska apparater som kan böjas och böjas tillsammans med till exempel ett hjärta som slår. Sådana organiska anordningar skulle till och med kunna designas för att brytas ned i kroppen, så att de bryts ner och försvinner efter att deras jobb är klart.

En del organisk elektronik finns redan i kommersiella produkter. Till exempel kan organiska lysdioder (OLED) hittas på skärmarna på smarta telefoner, smarta klockor och OLED-TV. Det förväntas att organiska solceller också är på väg att bli en kommersiell framgång. Men forskarvärlden har bara skrapat på ytan av organisk elektroniks potential; framstegen har bromsats av bristen på viktiga materialupptäckter som den som just gjorts av UIUC-teamet.

Schroeder sa att det är viktigt att ha bevisat att "vi kan designa och syntetisera stora bibliotek för olika applikationer." Tidningen "visar upp det faktum att vi framgångsrikt gjorde det för en klass av molekyler för molekylär elektronik." Han erkände, "Jag förväntade mig inte att se något så intressant i denna första studie."

Medförfattaren Jeffrey S. Moore, som är Stanley O. Ikenberry Endowed Chair, professor i kemi, och Howard Hughes Medical Institute Professor, reflekterade över arbetet:"Att avancera grundläggande vetenskap och teknik genom att kombinera nya faciliteter med ett samarbetande team är vad gör Beckman Institute så speciellt. Denna upptäckt är den första av många som kommer från Molecule Maker Lab."

Schroeder tror att Molecule Maker Lab-anläggningarna – som också erbjuder artificiell intelligens för att förutsäga vilka molekyler som sannolikt är värda att tillverka – kommer att öppna upp ett nytt tillvägagångssätt för forskning genom att "du kan börja tänka på att designa baserat på en funktion istället för en strukturera." Medan forskare i dag kanske börjar med att säga, "Jag måste göra den här speciella strukturen eftersom jag tror att den kommer att göra något," kommer det att vara möjligt att säga till systemet, "Jag vill få den här ultimata funktionen," och sedan låta det hjälpa till. du räknar ut vilka strukturer du ska göra för att få den funktionen.

Avsikten är så småningom att göra Molecule Maker Lab-faciliteterna tillgängliga för forskare utanför UIUC. Burke sa att han skulle vilja se labbet "bli ett globalt epicentrum av demokratiserad molekylär innovation", vilket ger människor som inte är specialister på molekylär syntes möjlighet att lösa viktiga forskningsproblem.

"Jag tror att det här är början på något riktigt speciellt," sa Burke. "Resan har börjat." + Utforska vidare

Förstå hur monomersekvensen påverkar konduktansen i "molekylära ledningar"