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 permis la découverte repose sur une plate-forme automatisée de synthèse moléculaire rapide à grande échelle, qui change la donne dans le domaine de l’électronique organique et au-delà. Grâce à la synthèse automatisée, l’équipe a pu parcourir rapidement une bibliothèque de molécules aux structures définies avec précision, découvrant ainsi, via des expériences de caractérisation d’une seule molécule, un nouveau mécanisme de conductance élevée. Le travail vient d’être signalé dans Communication Nature et est le premier résultat majeur à émerger du Molecule Maker Lab, situé au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

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

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

Edward R. Jira, un Ph.D. étudiant en génie chimique et biomoléculaire qui a joué un rôle de premier plan dans le projet, a expliqué le concept de la plateforme de synthèse. « Ce qui est vraiment puissant… c’est qu’il s’appuie sur une stratégie basée sur des blocs de construction où toutes les fonctionnalités chimiques qui nous intéressent sont pré-encodées dans des blocs de construction stables au banc, et vous pouvez avoir une grande bibliothèque d’entre eux assis sur une étagère », a-t-il dit. 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 fonctionnalités différentes, nous pouvons accéder à un vaste éventail 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 Lego-brique pour expliquer pourquoi le synthétiseur était si précieux pour les expériences – et ce n’était pas seulement à cause 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 ultra-rapides », a-t-il expliqué. Une fois que l’état étonnamment rapide a été découvert, « en utilisant les » Legos « , nous avons pu démonter les molécules pièce par pièce et échanger différentes briques » Lego « – et ainsi comprendre systématiquement les relations structure/fonction qui ont conduit à cette conductivité ultra-rapide. « 

doctorat L’étudiante Jialing (Caroline) Li, experte en caractérisation électronique de molécules uniques 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 énorme sur le comportement de la molécule et sur la manière dont cela affecte l’efficacité du transport de charge dans l’ensemble de la molécule », a-t-elle déclaré. Plus précisément, l’équipe a découvert que les jonctions moléculaires avec de longues chaînes latérales alkyle ont une conductance étonnamment élevée, qui dépend de la concentration. Ils ont également compris 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 entraîne la planarisation (en fait, l’aplatissement) des molécules de sorte que les électrons peuvent circuler à travers les plus efficacement.

Burke, qui est professeur d’innovation chimique May et Ving Lee et professeur de chimie, a qualifié l’approche modulaire de « coup de poing un-deux »: elle fait de la plate-forme « un moteur puissant pour à la fois découvrir la fonction, puis comprendre le une fonction. »

La découverte de la conductance représente une avancée significative pour le domaine de l’électronique organique.

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

Schroeder a expliqué que les matériaux électroniques organiques présentent de multiples avantages. Pour commencer, leur utilisation évite le besoin de métaux ou d’autres composants électroniques inorganiques. Mais l’électronique organique offre également bien plus : des propriétés de déformation et d’élasticité qui peuvent être vitales pour certaines applications, telles que les dispositifs médicaux implantables qui pourraient se plier et fléchir avec, par exemple, un cœur qui bat. De tels dispositifs organiques pourraient même être conçus pour se dégrader dans le corps, de sorte qu’ils se décomposent et disparaissent une fois leur travail terminé.

Certains composants électroniques organiques sont déjà disponibles dans des produits commerciaux. Par exemple, les diodes électroluminescentes organiques (OLED) peuvent être trouvées dans les écrans des téléphones intelligents, des montres intelligentes et des téléviseurs OLED. On s’attend à ce que les cellules solaires organiques soient également en passe de devenir un 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 prouvé que « nous pouvons concevoir et synthétiser de grandes bibliothèques pour diverses applications ». L’article « montre 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. »

Le co-auteur Jeffrey S. Moore, titulaire de la chaire dotée de la chaire Stanley O. Ikenberry, professeur de chimie et professeur à l’Institut médical Howard Hughes, a commenté les travaux : « Faire progresser la science et la technologie fondamentales en combinant de nouvelles installations avec une équipe collaborative est ce qui rend l’Institut Beckman si spécial. Cette découverte est la première d’une longue série qui viendra 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 dans la mesure où « vous pouvez commencer à penser à concevoir en fonction d’une fonction au lieu d’un structure. » Alors que les chercheurs d’aujourd’hui pourraient commencer par dire : « Je dois créer cette structure particulière parce que je pense qu’elle va faire quelque chose », il sera possible de dire au système : « Je veux obtenir cette fonction ultime », puis de la laisser aider vous déterminez quelles structures vous devez créer pour obtenir cette fonction.

L’intention est de mettre à terme 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. »