La synthèse automatisée permet de découvrir un comportement de transport de charge inattendu dans les molécules organiques

Une équipe interdisciplinaire de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC) a démontré une percée majeure dans l’utilisation de la synthèse automatisée pour découvrir de nouvelles molécules pour les applications de l’électronique organique.

La technologie qui a rendu cette découverte possible repose sur une plate-forme automatisée de synthèse moléculaire rapide à grande échelle, une percée dans le domaine de l’électronique organique et au-delà. À l’aide d’une synthèse automatisée, l’équipe a pu cribler rapidement une bibliothèque de molécules aux structures bien définies, découvrant un nouveau mécanisme de conductivité élevée grâce à des expériences de caractérisation de molécules uniques. Les travaux viennent d’être signalés communication nature et est le premier résultat majeur du Molecule Maker Lab, situé au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

La conductivité étonnamment élevée a été découverte dans des expériences menées par Charles M. Schroeder, professeur James Economy de science et génie des matériaux et professeur de génie chimique et biomoléculaire. L’objectif du projet était de rechercher de nouvelles molécules à forte conductivité susceptibles de convenir à des applications en électronique moléculaire ou en électronique organique. L’approche de l’équipe consistait à attacher systématiquement de nombreuses chaînes latérales différentes aux squelettes moléculaires pour comprendre comment les chaînes latérales affectent la conductivité.

La première phase du projet consistait à synthétiser une large bibliothèque de molécules à caractériser à l’aide d’expériences d’électronique monomoléculaire. Si la synthèse avait été faite en utilisant des méthodes conventionnelles, cela aurait été un processus long et fastidieux. Cet effort a été évité en utilisant la plate-forme de synthèse automatisée du Molecule Maker Lab, qui a été développée pour faciliter la recherche de découverte moléculaire qui nécessite de tester un grand nombre de molécules candidates.

Edward R. Jira, un Ph.D. Un étudiant en génie chimique et biomoléculaire, responsable du projet, a expliqué le concept de la plateforme de synthèse. « Ce qui est vraiment puissant… c’est qu’il utilise une stratégie basée sur des blocs de construction où toutes les fonctions chimiques qui nous intéressent sont précodées en blocs de construction stables et vous pouvez en avoir une grande bibliothèque sur une étagère », a-t-il déclaré. mentionné. Un seul type de réaction est utilisé à plusieurs reprises pour coupler les blocs de construction selon les besoins, et « parce que nous avons cette bibliothèque de blocs de construction diversifiée qui encode de nombreuses fonctions différentes, nous pouvons accéder à une vaste gamme de structures différentes pour différentes applications ».

Comme Schroeder l’a dit, « Imaginez assembler des Legos. »

Le co-auteur Martin D. Burke a étendu l’analogie de la brique Lego pour expliquer pourquoi le synthétiseur était si précieux pour les expériences – et pas seulement en raison de la production rapide de la bibliothèque moléculaire initiale. « Grâce à l’approche de type Lego pour fabriquer ces molécules, l’équipe a pu comprendre pourquoi elles sont super rapides », a-t-il expliqué. Une fois l’état étonnamment rapide découvert, « nous avons pu utiliser les » Legos « pour disséquer les molécules pièce par pièce et échanger diverses briques » Lego « – et ainsi comprendre systématiquement les relations structure-fonction qui conduisent à cette conductivité ultra-rapide.  » conduit. « 

Doctorat L’étudiante Jialing (Caroline) Li, experte dans la caractérisation de l’électronique à molécule unique qui a étudié les molécules générées par le synthétiseur, a expliqué l’essence de la découverte de la conductivité. « Nous avons observé que les chaînes latérales ont un impact important sur le comportement de la molécule et sur la manière dont cela affecte l’efficacité du transport de charge dans toute la molécule », a-t-elle déclaré. En particulier, l’équipe a découvert que les composés moléculaires avec de longues chaînes latérales alkyle présentent une conductivité étonnamment élevée, qui dépend de la concentration. Ils ont également trouvé la raison de la conductivité élevée : les longues chaînes latérales alkyle favorisent l’adsorption de surface (la capacité de la molécule à adhérer à une surface), ce qui conduit à la planarisation (en fait à l’aplatissement) des molécules, permettant aux électrons de les traverser plus efficacement.

Burke, qui est professeur d’innovation chimique et professeur de chimie May and Ving Lee, a qualifié l’approche par blocs de construction de « double coup dur »: elle fait de la plate-forme « un moteur puissant pour à la fois découvrir la fonction et comprendre la fonction ».

La découverte de la conductivité représente une avancée significative dans le domaine de l’électronique organique.

« Les interfaces semi-conducteur-métal sont omniprésentes dans les appareils électroniques. La découverte surprenante d’un état de conductivité élevé induit par des interfaces métalliques pourrait ouvrir la voie à une nouvelle conception moléculaire pour une injection et une collecte de charges hautement efficaces dans une variété d’applications électroniques », a déclaré le co-auteur Ying Diao, bénéficiaire de la subvention IC Gunsalus, Dow Chemical Company. Chercheur de la faculté et professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire.

Schroeder a expliqué que les matériaux électroniques organiques présentent plusieurs avantages. Tout d’abord, leur utilisation évite d’avoir recours à des métaux ou à d’autres composants électroniques inorganiques. Mais l’électronique organique offre bien plus : des propriétés de déformation et d’élasticité qui peuvent être vitales pour certaines applications, comme les dispositifs médicaux implantables qui peuvent fléchir et fléchir avec un cœur qui bat, par exemple. De tels dispositifs organiques pourraient même être conçus pour être décomposés dans le corps, de sorte que lorsque le travail est terminé, ils se désintègrent et disparaissent.

Certains composants électroniques organiques sont déjà disponibles dans des produits commerciaux. Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) se trouvent, par exemple, dans les écrans des smartphones, des smartwatches et des téléviseurs OLED. On s’attend également à ce que les cellules solaires organiques soient sur la voie du succès commercial. Mais la communauté des chercheurs n’a fait qu’effleurer la surface du potentiel de l’électronique organique ; Les progrès ont été ralentis par le manque de découvertes de matériaux clés comme celle que vient de faire l’équipe de l’UIUC.

Schroeder a déclaré qu’il était important d’avoir démontré que « nous pouvons concevoir et synthétiser de grandes bibliothèques pour différentes applications ». L’article « démontre le fait que nous l’avons fait avec succès pour une classe de molécules pour l’électronique moléculaire ». Il a admis : « Je ne m’attendais pas à voir quelque chose d’aussi intéressant dans cette première étude. »

Commentant les travaux, le co-auteur Jeffrey S. Moore, titulaire de la chaire de dotation Stanley O. Ikenberry, professeur de chimie et professeur à l’Institut médical Howard Hughes, a déclaré: «L’avancement de la science et de la technologie fondamentales en combinant de nouvelles installations avec une équipe collaborative est le objectif est ce qui rend l’Institut Beckman si spécial. Cette découverte est la première d’une longue série à venir du Molecule Maker Lab.

Schroeder pense que les installations du Molecule Maker Lab – qui offrent également des capacités d’intelligence artificielle pour prédire quelles molécules sont susceptibles de valoir la peine d’être fabriquées – ouvriront une nouvelle approche de la recherche car « vous pouvez commencer à penser à la conception, qui est basée sur une fonction plutôt qu’une structure. Alors que les chercheurs d’aujourd’hui pourraient commencer à dire : « J’ai besoin de construire cette structure particulière parce que je pense que cela fera une différence », il sera possible de dire au système : « Je veux obtenir cette fonction ultime », et il vous laissera alors vous aider. déterminez quelles structures vous devez construire pour obtenir cette fonctionnalité.

À terme, l’intention est de mettre les installations du Molecule Maker Lab à la disposition des chercheurs extérieurs à l’UIUC. Burke a déclaré qu’il aimerait voir le laboratoire « devenir un épicentre mondial de l’innovation moléculaire démocratisée », permettant aux personnes qui ne sont pas des spécialistes de la synthèse moléculaire de résoudre d’importants problèmes de recherche.

« Je pense que c’est le début de quelque chose de vraiment spécial », a déclaré Burke. « Le voyage a commencé. »