La síntesis automatizada permite descubrir un comportamiento de transporte de carga inesperado en moléculas orgánicas

La síntesis automatizada permite descubrir un comportamiento de transporte de carga inesperado en moléculas orgánicas


02 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un equipo interdisciplinario de la UIUC ha logrado un gran avance en el uso de la síntesis automatizada para descubrir nuevas moléculas para aplicaciones de electrónica orgánica.

La tecnología que hizo posible este descubrimiento se basa en una plataforma automatizada para la síntesis molecular rápida a gran escala, un avance en el campo de la electrónica orgánica y más allá. Utilizando una síntesis automatizada, el equipo pudo seleccionar rápidamente una biblioteca de moléculas con estructuras bien definidas, descubriendo un nuevo mecanismo para la alta conductividad a través de experimentos de caracterización de una sola molécula.

El trabajo acaba de ser reportado. comunicación de la naturaleza («Using Automated Synthesis to Understanding the Role of Side Chains on Molecular Charge Transport») y es el primer resultado importante del Molecule Maker Lab, con sede en el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de la Universidad de Illinois Urbana-Champagne. Plataforma de síntesis molecular automatizada Plataforma de síntesis automatizada en el Molecule Marker Lab. (Imagen: Universidad de Illinois Urbana-Champaign)

La conductividad inesperadamente alta se descubrió en experimentos dirigidos por Charles M. Schroeder, profesor de James Economy de ciencia e ingeniería de materiales y profesor de ingeniería química y biomolecular. El objetivo del proyecto era buscar nuevas moléculas con alta conductividad que pudieran ser adecuadas para aplicaciones en electrónica molecular o electrónica orgánica. El enfoque del equipo fue unir sistemáticamente muchas cadenas laterales diferentes a los esqueletos moleculares para comprender cómo las cadenas laterales afectan la conductividad.

La primera fase del proyecto consistió en sintetizar una gran biblioteca de moléculas para caracterizarlas mediante experimentos electrónicos de molécula única. Si la síntesis se hubiera realizado utilizando métodos convencionales, habría sido un proceso largo y engorroso. Este esfuerzo se evitó mediante el uso de la plataforma de síntesis automatizada de Molecule Maker Lab, que se desarrolló para facilitar la investigación de descubrimiento molecular que requiere probar un gran número de moléculas candidatas.

Edward R. Jira, un Ph.D. Un estudiante de ingeniería química y biomolecular, quien estuvo a cargo del proyecto, explicó el concepto de la plataforma de síntesis. «Lo que es realmente poderoso… es que utiliza una estrategia basada en bloques de construcción donde todas las funciones químicas que nos interesan están precodificadas en bloques de construcción estables y puede tener una gran biblioteca de ellos en un estante», dijo. dicho. Un solo tipo de reacción se usa repetidamente para acoplar los componentes básicos según sea necesario, y «debido a que tenemos esta diversa biblioteca de componentes básicos que codifica muchas funciones diferentes, podemos acceder a una amplia gama de estructuras diferentes para diferentes aplicaciones».

Como dijo Schroeder, «Imagina unir piezas de Lego».

El coautor Martin D. Burke amplió la analogía del bloque Lego para explicar por qué el sintetizador era tan valioso para los experimentos, y no solo por la rápida producción de la biblioteca molecular inicial.

«Debido al enfoque similar al de Lego para fabricar estas moléculas, el equipo pudo comprender por qué son súper rápidas», explicó. Una vez que se descubrió el estado sorprendentemente rápido, «podríamos usar los ‘Legos’ para diseccionar las moléculas pieza por pieza e intercambiar varios ladrillos ‘Lego’, y así comprender sistemáticamente las relaciones estructura-función que conducen a esta conductividad ultrarrápida». «dirigió. ”

Doctor La estudiante Jialing (Caroline) Li, experta en la caracterización de la electrónica de una sola molécula que estudió las moléculas generadas por el sintetizador, explicó la esencia del descubrimiento de la conductividad.

«Observamos que las cadenas laterales tienen un gran impacto en el comportamiento de la molécula y cómo esto afecta la eficiencia del transporte de carga a lo largo de la molécula», dijo.

En particular, el equipo descubrió que los compuestos moleculares con largas cadenas laterales de alquilo exhiben una conductividad inesperadamente alta, que depende de la concentración. También encontraron la razón de la alta conductividad: las largas cadenas laterales de alquilo promueven la adsorción superficial (la capacidad de la molécula para adherirse a una superficie), lo que conduce a la planarización (en realidad, aplanamiento) de las moléculas, lo que permite que los electrones fluyan a través de ellas de manera más eficiente.

Burke, quien es profesor de innovación química y profesor de química de May and Ving Lee, calificó el enfoque de bloques de construcción como un «doble golpe»: hace que la plataforma sea «un motor poderoso tanto para descubrir funciones como para comprender funciones».

El descubrimiento de la conductividad representa un avance significativo en el campo de la electrónica orgánica.

“Las interfaces semiconductor-metal son omnipresentes en los dispositivos electrónicos. El sorprendente descubrimiento de un estado de alta conductividad inducido por interfaces metálicas puede allanar el camino hacia un nuevo diseño molecular para la inyección y recolección de carga altamente eficiente en una amplia gama de aplicaciones electrónicas”, dijo el coautor Ying Diao, Dow IC Gunsalus Fellow Corporate Miembro de la Facultad de Química y Profesor Asociado de Ingeniería Química y Biomolecular.

Schroeder explicó que los materiales electrónicos orgánicos tienen varias ventajas. En primer lugar, su uso evita la necesidad de metales u otros componentes electrónicos inorgánicos. Pero la electrónica orgánica ofrece mucho más: propiedades elásticas y de deformación que pueden ser vitales para algunas aplicaciones, como dispositivos médicos implantables que pueden flexionarse y flexionarse junto con un corazón que late, por ejemplo. Tales dispositivos orgánicos podrían incluso estar diseñados para ser descompuestos en el cuerpo, de modo que cuando el trabajo esté terminado, se desintegren y desaparezcan.

Algunos productos electrónicos orgánicos ya están disponibles en productos comerciales. Los diodos emisores de luz orgánicos (OLED) se pueden encontrar, por ejemplo, en las pantallas de los teléfonos inteligentes, los relojes inteligentes y los televisores OLED. También se espera que las células solares orgánicas estén en camino al éxito comercial. Pero la comunidad investigadora solo ha arañado la superficie del potencial de la electrónica orgánica; El progreso se ha visto frenado por la falta de descubrimientos de materiales clave como el que acaba de hacer el equipo de la UIUC.

Schroeder dijo que era importante haber demostrado que «podemos diseñar y sintetizar grandes bibliotecas para diferentes aplicaciones». El documento «muestra el hecho de que lo hemos logrado con éxito para una clase de moléculas para la electrónica molecular». Admitió: «¡No esperaba ver nada tan interesante en este primer estudio!».

Al comentar sobre el trabajo, el coautor Jeffrey S. Moore, titular de la cátedra Stanley O. Ikenberry, profesor de química y profesor del Instituto Médico Howard Hughes, dijo: “El avance de la ciencia y la tecnología básicas mediante la combinación de nuevas instalaciones con un equipo colaborativo es el objetivo es lo que hace que el Instituto Beckman sea tan especial. Este descubrimiento es el primero de muchos que vienen del Molecule Maker Lab”.

Schroeder cree que las instalaciones de Molecule Maker Lab, que también ofrecen capacidades de inteligencia artificial para predecir qué moléculas es probable que valga la pena fabricar, abrirán un nuevo enfoque para la investigación porque «puede comenzar a pensar en el diseño, que se basa en una función en lugar de que una estructura». Si bien los investigadores de hoy en día pueden comenzar diciendo: «Necesito construir esta estructura en particular porque creo que marcará una diferencia», será posible decirle al sistema: «Quiero obtener esta función definitiva». y luego deja que te ayude a descubrir qué estructuras necesitas crear para obtener esa función.

Eventualmente, la intención es hacer que las instalaciones del Molecule Maker Lab estén disponibles para investigadores fuera de la UIUC. Burke dijo que le gustaría que el laboratorio «se convirtiera en un epicentro global de innovación molecular democratizada», empoderando a las personas que no son especialistas en síntesis molecular para resolver importantes problemas de investigación.

«Creo que este es el comienzo de algo realmente especial», dijo Burke. «El viaje ha comenzado».



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