Uma equipe interdisciplinar da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC) demonstrou um grande avanço no uso de síntese automatizada para descobrir novas moléculas para aplicações de eletrônica orgânica.
A tecnologia que permitiu a descoberta depende de uma plataforma automatizada para síntese molecular rápida em escala – o que é um divisor de águas no campo da eletrônica orgânica e além. Usando síntese automatizada, a equipe conseguiu escanear rapidamente uma biblioteca de moléculas com estruturas definidas com precisão, descobrindo assim, por meio de experimentos de caracterização de molécula única, um novo mecanismo para alta condutância. O trabalho acabou de ser relatado em Nature Communications e é o primeiro grande resultado a surgir do Molecule Maker Lab, localizado no Beckman Institute for Advanced Science and Technology da University of Illinois Urbana-Champaign.

A condutância inesperadamente alta foi descoberta em experimentos liderados por Charles M. Schroeder, que é o professor de economia James em ciência e engenharia de materiais e professor de engenharia química e biomolecular. O objetivo do projeto era buscar novas moléculas com forte condutividade que pudessem ser adequadas para uso em aplicações de eletrônica molecular ou eletrônica orgânica. A abordagem da equipe foi anexar sistematicamente muitas cadeias laterais diferentes aos backbones moleculares para entender como as cadeias laterais afetavam a condutância.

A primeira etapa do projeto consistiu em sintetizar uma grande biblioteca de moléculas a serem caracterizadas usando experimentos eletrônicos de uma única molécula. Se a síntese tivesse sido feita com métodos convencionais, teria sido um processo longo e complicado. Esse esforço foi evitado através do uso da plataforma de síntese automatizada do Molecule Maker Lab, que foi projetada para facilitar a pesquisa de descoberta molecular que requer o teste de um grande número de moléculas candidatas.

Edward R. Jira, Ph.D. estudante de engenharia química e biomolecular que teve um papel de liderança no projeto, explicou o conceito da plataforma de síntese. “O que é realmente poderoso… deles sentados em uma prateleira", disse ele. Um único tipo de reação é usado repetidamente para unir os blocos de construção conforme necessário, e "como temos essa biblioteca de blocos de construção diversificada que codifica muitas funcionalidades diferentes, podemos acessar uma enorme variedade de estruturas diferentes para diferentes aplicativos".

Como disse Schroeder, "Imagine montar Legos juntos".

O coautor Martin D. Burke estendeu a analogia do Lego-brick para explicar por que o sintetizador era tão valioso para os experimentos – e não era apenas por causa da rápida produção da biblioteca molecular inicial. "Por causa da abordagem do tipo Lego para fazer essas moléculas, a equipe conseguiu entender por que elas são super-rápidas", explicou ele. Uma vez que o estado surpreendentemente rápido foi descoberto, "usando os 'Legos', poderíamos desmontar as moléculas peça por peça e trocar por diferentes peças 'Lego' - e, assim, entender sistematicamente as relações estrutura/função que levaram a essa condutividade ultrarrápida. "

Ph.D. A estudante Jialing (Caroline) Li, especialista em caracterização eletrônica de uma única molécula que estudou as moléculas geradas pelo sintetizador, explicou a essência da descoberta da condutividade. "Observamos que as cadeias laterais têm um enorme impacto em como a molécula se comporta e como isso afeta a eficiência do transporte de carga em toda a molécula", disse ela. Especificamente, a equipe descobriu que as junções moleculares com longas cadeias laterais de alquila têm uma condutância inesperadamente alta, que depende da concentração. Eles também descobriram o motivo da alta condutividade:as longas cadeias laterais de alquil promovem a adsorção da superfície (a capacidade da molécula de aderir a uma superfície), o que resulta na planarização (na verdade, achatamento) das moléculas de tal forma que os elétrons podem fluir através -los com mais eficiência.

Burke, que é o professor de inovação química de maio e Ving Lee e professor de química, chamou a abordagem de blocos de construção de "um golpe duplo":torna a plataforma "um mecanismo poderoso para descobrir funções e, em seguida, entender o função."

A descoberta da condutância representa um avanço significativo para o campo da eletrônica orgânica.

"As interfaces semicondutor-metal são onipresentes em dispositivos eletrônicos. A descoberta surpreendente de um estado de alta condutância induzido por interfaces metálicas pode abrir caminho para um novo projeto molecular para injeção e coleta de carga altamente eficiente em uma ampla gama de aplicações eletrônicas", disse o co- autor Ying Diao, um I. C. Gunsalus Scholar, Dow Chemical Company Faculty Scholar e professor associado de engenharia química e biomolecular.

Schroeder explicou que os materiais eletrônicos orgânicos têm múltiplos benefícios. Para começar, seu uso evita a necessidade de metais ou outros eletrônicos inorgânicos. Mas a eletrônica orgânica também oferece muito mais:deformação e propriedades elásticas que podem ser vitais para algumas aplicações, como dispositivos médicos implantáveis ​​que podem dobrar e flexionar junto com, por exemplo, um coração batendo. Esses dispositivos orgânicos podem até ser projetados para se degradarem dentro do corpo, de modo que se decomponham e desapareçam após o término do trabalho.

Alguns eletrônicos orgânicos já estão disponíveis em produtos comerciais. Por exemplo, diodos emissores de luz orgânicos (OLED) podem ser encontrados nas telas de smartphones, relógios inteligentes e TVs OLED. Prevê-se que as células solares orgânicas estão a caminho de se tornar um sucesso comercial também. Mas a comunidade de pesquisa apenas arranhou a superfície do potencial da eletrônica orgânica; o progresso foi retardado pela falta de descobertas de materiais importantes, como a feita pela equipe da UIUC.

Schroeder disse que é significativo ter provado que "podemos projetar e sintetizar grandes bibliotecas para várias aplicações". O artigo "mostra o fato de que fizemos isso com sucesso para uma classe de moléculas para eletrônica molecular". Ele admitiu:"Eu não esperava ver algo tão interessante neste primeiro estudo."

O co-autor Jeffrey S. Moore, que é um Stanley O. Ikenberry Endowed Chair, professor de química e professor do Howard Hughes Medical Institute, refletiu sobre o trabalho:"Avançar a ciência e a tecnologia básicas combinando novas instalações com uma equipe colaborativa é o que torna o Beckman Institute tão especial. Esta descoberta é a primeira de muitas que virão do Molecule Maker Lab."

Schroeder acredita que as instalações do Molecule Maker Lab - que também oferecem recursos de inteligência artificial para prever quais moléculas provavelmente valerão a pena fazer - abrirão uma nova abordagem de pesquisa em que "você pode começar a pensar em projetar com base em uma função em vez de um estrutura." Enquanto os pesquisadores de hoje podem começar dizendo:"Preciso fazer essa estrutura em particular porque acho que ela fará alguma coisa", será possível dizer ao sistema:"Quero obter essa função final" e depois deixá-la ajudar você descobre quais estruturas você deve fazer para obter essa função.

A intenção é eventualmente disponibilizar as instalações do Molecule Maker Lab para pesquisadores fora da UIUC. Burke disse que gostaria de ver o laboratório "se tornar um epicentro global de inovação molecular democratizada", capacitando pessoas que não são especialistas em síntese molecular para resolver importantes problemas de pesquisa.

"Acho que este é o começo de algo realmente especial", disse Burke. "A jornada começou." + Explorar mais

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