Die automatisierte Synthese ermöglicht die Entdeckung eines unerwarteten Ladungstransportverhaltens in organischen Molekülen

Ein interdisziplinäres Team der University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC) hat einen großen Durchbruch bei der Verwendung automatisierter Synthese zur Entdeckung neuer Moleküle für Anwendungen in der organischen Elektronik demonstriert.

Die Technologie, die diese Entdeckung ermöglichte, stützt sich auf eine automatisierte Plattform für die schnelle molekulare Synthese im großen Maßstab – was auf dem Gebiet der organischen Elektronik und darüber hinaus bahnbrechend ist. Mithilfe einer automatisierten Synthese war das Team in der Lage, schnell eine Bibliothek von Molekülen mit genau definierten Strukturen zu durchsuchen und dabei durch Einzelmolekül-Charakterisierungsexperimente einen neuen Mechanismus für hohe Leitfähigkeit aufzudecken. Die Arbeit wurde gerade gemeldet Naturkommunikation und ist das erste große Ergebnis des Molecule Maker Lab, das sich im Beckman Institute for Advanced Science and Technology an der University of Illinois Urbana-Champaign befindet.

Die unerwartet hohe Leitfähigkeit wurde in Experimenten unter der Leitung von Charles M. Schroeder entdeckt, dem James-Economy-Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik. Ziel des Projekts war die Suche nach neuen Molekülen mit starker Leitfähigkeit, die für Anwendungen in der Molekularelektronik oder organischen Elektronik geeignet sein könnten. Der Ansatz des Teams bestand darin, viele verschiedene Seitenketten systematisch an molekulare Rückgrate anzuhängen, um zu verstehen, wie die Seitenketten die Leitfähigkeit beeinflussen.

Die erste Phase des Projekts bestand aus der Synthese einer großen Bibliothek von Molekülen, die mit Einzelmolekül-Elektronikexperimenten charakterisiert werden sollten. Wenn die Synthese mit herkömmlichen Methoden durchgeführt worden wäre, wäre es ein langer, umständlicher Prozess gewesen. Dieser Aufwand wurde durch die Verwendung der automatisierten Syntheseplattform des Molecule Maker Lab vermieden, die entwickelt wurde, um die molekulare Entdeckungsforschung zu erleichtern, die das Testen einer großen Anzahl von Kandidatenmolekülen erfordert.

Edward R. Jira, ein Ph.D. Student der Chemie- und Biomolekulartechnik, der federführend an dem Projekt beteiligt war, erläuterte das Konzept der Syntheseplattform. „Was wirklich leistungsfähig ist … ist, dass es eine bausteinbasierte Strategie nutzt, bei der alle chemischen Funktionen, an denen wir interessiert sind, in stabilen Bausteinen vorcodiert sind und Sie eine große Bibliothek haben können von ihnen sitzen auf einem Regal“, sagte er. Ein einziger Reaktionstyp wird wiederholt verwendet, um die Bausteine ​​nach Bedarf miteinander zu koppeln, und „da wir diese vielfältige Bausteinbibliothek haben, die viele verschiedene Funktionen codiert, können wir auf eine riesige Auswahl an unterschiedlichen Strukturen für verschiedene Anwendungen zugreifen.“

Wie Schroeder es ausdrückte: „Stellen Sie sich vor, Legos zusammenzuschnappen.“

Co-Autor Martin D. Burke erweiterte die Legostein-Analogie, um zu erklären, warum der Synthesizer für die Experimente so wertvoll war – und das nicht nur wegen der schnellen Produktion der anfänglichen molekularen Bibliothek. „Aufgrund des Lego-ähnlichen Ansatzes zur Herstellung dieser Moleküle konnte das Team verstehen, warum sie superschnell sind“, erklärte er. Sobald der überraschend schnelle Zustand entdeckt war, „konnten wir mit den ‚Legos‘ die Moleküle Stück für Stück auseinander nehmen und verschiedene ‚Lego‘-Steine ​​austauschen – und dadurch systematisch die Struktur-Funktions-Beziehungen verstehen, die zu dieser ultraschnellen Leitfähigkeit führten. „

Ph.D. Die Studentin Jialing (Caroline) Li, eine Expertin für die Charakterisierung von Einzelmolekülelektronik, die die vom Synthesizer erzeugten Moleküle untersuchte, erklärte die Essenz der Entdeckung der Leitfähigkeit. „Wir haben beobachtet, dass die Seitenketten einen großen Einfluss darauf haben, wie sich das Molekül verhält und wie sich dies auf die Effizienz des Ladungstransports im gesamten Molekül auswirkt“, sagte sie. Insbesondere entdeckte das Team, dass molekulare Verbindungen mit langen Alkylseitenketten eine unerwartet hohe Leitfähigkeit aufweisen, die von der Konzentration abhängt. Sie fanden auch den Grund für die hohe Leitfähigkeit heraus: Die langen Alkylseitenketten fördern die Oberflächenadsorption (die Fähigkeit des Moleküls, an einer Oberfläche zu haften), was zu einer Planarisierung (eigentlich Abflachung) der Moleküle führt, sodass Elektronen hindurchfließen können sie effizienter.

Burke, der May- und Ving-Lee-Professor für chemische Innovation und Professor für Chemie ist, nannte den Bausteinansatz einen „Doppelschlag“: Er macht die Plattform „zu einem leistungsstarken Motor, um sowohl Funktionen zu entdecken als auch zu verstehen Funktion.“

Die Entdeckung der Leitfähigkeit stellt einen bedeutenden Fortschritt für das Gebiet der organischen Elektronik dar.

„Halbleiter-Metall-Grenzflächen sind in elektronischen Geräten allgegenwärtig. Der überraschende Fund eines Zustands mit hoher Leitfähigkeit, der durch metallische Grenzflächen induziert wird, kann den Weg für ein neues molekulares Design für eine hocheffiziente Ladungsinjektion und -sammlung in einer Vielzahl elektronischer Anwendungen ebnen“, sagte Co- Autorin Ying Diao, Stipendiatin von IC Gunsalus, Dow Chemical Company Faculty Scholar und außerordentliche Professorin für Chemie- und Biomolekulartechnik.

Schroeder erklärte, dass organische elektronische Materialien mehrere Vorteile haben. Zunächst einmal vermeidet ihre Verwendung die Notwendigkeit von Metallen oder anderer anorganischer Elektronik. Aber organische Elektronik bietet noch viel mehr: Verformungs- und elastische Eigenschaften, die für einige Anwendungen lebenswichtig sein können, wie beispielsweise implantierbare medizinische Geräte, die sich beispielsweise zusammen mit einem schlagenden Herzen biegen und biegen können. Solche organischen Geräte könnten sogar so konstruiert sein, dass sie im Körper abgebaut werden, sodass sie nach getaner Arbeit zerfallen und verschwinden.

Einige organische Elektronik ist bereits in kommerziellen Produkten erhältlich. Organische Leuchtdioden (OLED) finden sich beispielsweise in den Bildschirmen von Smartphones, Smartwatches und OLED-Fernsehern. Es wird erwartet, dass auch organische Solarzellen auf dem Weg zum kommerziellen Erfolg sind. Aber die Forschungsgemeinschaft hat nur an der Oberfläche des Potenzials der organischen Elektronik gekratzt; Der Fortschritt wurde durch das Fehlen wichtiger Materialentdeckungen wie der gerade vom UIUC-Team gemachten verlangsamt.

Schroeder sagte, es sei wichtig, bewiesen zu haben, dass „wir große Bibliotheken für verschiedene Anwendungen entwerfen und synthetisieren können“. Das Papier „zeigt die Tatsache, dass wir es erfolgreich für eine Klasse von Molekülen für die molekulare Elektronik gemacht haben.“ Er gab zu: „Ich hatte nicht erwartet, bei dieser ersten Studie etwas so Interessantes zu sehen.“

Co-Autor Jeffrey S. Moore, Inhaber des Stanley O. Ikenberry-Stiftungslehrstuhls, Professor für Chemie und Howard Hughes Medical Institute-Professor, äußerte sich zu der Arbeit: „Die Förderung der Grundlagenwissenschaft und -technologie durch die Kombination neuer Einrichtungen mit einem kollaborativen Team ist das Ziel macht das Beckman Institute so besonders. Diese Entdeckung ist die erste von vielen, die aus dem Molecule Maker Lab kommen werden.“

Schroeder glaubt, dass die Einrichtungen des Molecule Maker Lab – die auch Möglichkeiten der künstlichen Intelligenz bieten, um vorherzusagen, welche Moleküle es wahrscheinlich wert sind, hergestellt zu werden – einen neuen Forschungsansatz eröffnen werden, da „man anfangen kann, über das Design nachzudenken, das auf einer Funktion statt auf einer basiert Struktur.“ Während Forscher heute vielleicht damit beginnen, zu sagen: „Ich muss diese spezielle Struktur bauen, weil ich denke, dass sie etwas bewirken wird“, wird es möglich sein, dem System zu sagen: „Ich möchte diese ultimative Funktion bekommen“, und es dann helfen lassen Sie finden heraus, welche Strukturen Sie erstellen müssen, um diese Funktion zu erhalten.

Die Absicht ist schließlich, die Molecule Maker Lab-Einrichtungen Forschern außerhalb der UIUC zur Verfügung zu stellen. Burke sagte, er würde gerne sehen, dass das Labor „ein globales Epizentrum der demokratisierten molekularen Innovation wird“, das Menschen, die keine Spezialisten für molekulare Synthese sind, befähigt, wichtige Forschungsprobleme zu lösen.

„Ich denke, das ist der Beginn von etwas ganz Besonderem“, sagte Burke. „Die Reise hat begonnen.“