Sintesis molekuler otomatis Lab Pembuat Molekul

Tim UIUC lintas disiplin telah menunjukkan terobosan besar dalam menggunakan sintesis otomatis untuk menemukan molekul baru untuk aplikasi elektronik organik.

Teknologi yang memungkinkan penemuan ini bergantung pada platform otomatis untuk sintesis molekul cepat dalam skala besar — yang merupakan pengubah permainan di bidang elektronik organik dan seterusnya. Menggunakan sintesis otomatis, tim dapat dengan cepat memindai melalui perpustakaan molekul dengan struktur yang ditentukan secara tepat, sehingga mengungkap, melalui eksperimen karakterisasi molekul tunggal, mekanisme baru untuk konduktansi tinggi. Pekerjaan itu baru saja dilaporkan di Komunikasi Alam dan merupakan hasil besar pertama yang muncul dari Molecule Maker Lab, yang terletak di Beckman Institute for Advanced Science and Technology di University of Illinois Urbana-Champaign.

Konduktansi tinggi yang tak terduga ditemukan dalam eksperimen yang dipimpin oleh Charles M. Schroeder, yang merupakan Profesor Ekonomi James dalam ilmu & teknik material dan profesor dalam teknik kimia & biomolekuler. Tujuan proyek ini adalah untuk mencari molekul baru dengan konduktivitas kuat yang mungkin cocok untuk digunakan dalam elektronik molekuler atau aplikasi elektronik organik. Pendekatan tim adalah secara sistematis menambahkan banyak rantai samping yang berbeda ke tulang punggung molekuler untuk memahami bagaimana rantai samping mempengaruhi konduktansi.

Tahap pertama dari proyek ini terdiri dari mensintesis perpustakaan besar molekul untuk dikarakterisasi menggunakan eksperimen elektronik molekul tunggal. Jika sintesis dilakukan dengan metode konvensional, itu akan menjadi proses yang panjang dan tidak praktis. Upaya itu dihindari melalui penggunaan platform sintesis otomatis Lab Pembuat Molekul, yang dirancang untuk memfasilitasi penelitian penemuan molekuler yang memerlukan pengujian sejumlah besar calon molekul.

Edward R. Jira, Ph.D. mahasiswa teknik kimia & biomolekuler yang memiliki peran utama dalam proyek tersebut, menjelaskan konsep platform sintesis. “Apa yang benar-benar kuat… adalah memanfaatkan strategi berbasis blok bangunan di mana semua fungsi kimia yang kami minati telah dikodekan sebelumnya dalam blok bangunan yang stabil di bangku, dan Anda dapat memiliki perpustakaan besar dari mereka duduk di rak,” katanya. Satu jenis reaksi digunakan berulang kali untuk menggabungkan blok penyusun bersama-sama sesuai kebutuhan, dan “karena kami memiliki pustaka blok penyusun beragam yang mengkodekan banyak fungsi berbeda, kami dapat mengakses beragam struktur berbeda untuk aplikasi berbeda.”

Seperti yang dikatakan Schroeder, “Bayangkan menyatukan Lego.”

Rekan penulis Martin D. Burke memperluas analogi bata-Lego untuk menjelaskan mengapa synthesizer sangat berharga untuk eksperimen — dan itu bukan hanya karena produksi cepat dari perpustakaan molekuler awal. “Karena pendekatan seperti Lego untuk membuat molekul-molekul ini, tim dapat memahami mengapa mereka sangat cepat,” jelasnya. Setelah keadaan yang sangat cepat ditemukan, “menggunakan ‘Lego’, kita dapat memisahkan molekul satu per satu, dan menukar bata ‘Lego’ yang berbeda — dan dengan demikian secara sistematis memahami hubungan struktur/fungsi yang mengarah pada konduktivitas ultracepat ini. .”

Ph.D. siswa Jialing (Caroline) Li, seorang ahli dalam karakterisasi elektronik molekul tunggal yang mempelajari molekul yang dihasilkan oleh synthesizer, menjelaskan esensi dari penemuan konduktivitas. “Kami mengamati bahwa rantai samping memiliki dampak besar pada bagaimana molekul berperilaku dan bagaimana hal ini mempengaruhi efisiensi transportasi muatan di seluruh molekul,” katanya. Secara khusus, tim menemukan bahwa sambungan molekul dengan rantai samping alkil yang panjang memiliki konduktansi tinggi yang tidak terduga, yang bergantung pada konsentrasi. Mereka juga menemukan alasan untuk konduktivitas yang tinggi: rantai samping alkil yang panjang mendorong adsorpsi permukaan (kemampuan molekul untuk melekat pada permukaan), yang menghasilkan planarisasi (pada dasarnya, meratakan) molekul sehingga elektron dapat mengalir melaluinya. mereka secara lebih efisien.

Burke, yang merupakan Profesor May dan Ving Lee untuk Inovasi Kimia dan profesor kimia, menyebut pendekatan blok bangunan sebagai “satu-dua pukulan”: itu membuat platform “mesin yang kuat untuk menemukan fungsi, dan kemudian memahami fungsi.”

Penemuan konduktansi merupakan kemajuan yang signifikan untuk bidang elektronik organik.

“Antarmuka semikonduktor-logam ada di mana-mana dalam perangkat elektronik. Penemuan mengejutkan dari keadaan konduktansi tinggi yang disebabkan oleh antarmuka logam dapat membuka jalan menuju desain molekul baru untuk injeksi dan pengumpulan muatan yang sangat efisien di berbagai aplikasi elektronik,” kata co- penulis Ying Diao, Sarjana IC Gunsalus, Sarjana Fakultas Dow Chemical Company, dan profesor teknik kimia & biomolekuler.

Schroeder menjelaskan bahwa bahan elektronik organik memiliki banyak manfaat. Pertama-tama, penggunaannya menghindari kebutuhan akan logam atau elektronik anorganik lainnya. Tetapi elektronik organik juga menawarkan lebih banyak lagi: deformasi dan sifat elastis yang dapat menjadi vital untuk beberapa aplikasi, seperti perangkat medis implan yang dapat ditekuk dan dilenturkan bersama, misalnya, jantung yang berdetak. Perangkat organik semacam itu bahkan dapat dirancang untuk terurai di dalam tubuh, sehingga rusak dan hilang setelah pekerjaannya selesai.

Beberapa elektronik organik sudah tersedia dalam produk komersial. Misalnya, dioda pemancar cahaya organik (OLED) dapat ditemukan di layar ponsel pintar, jam tangan pintar, dan TV OLED. Ini diantisipasi bahwa sel surya organik sedang dalam perjalanan untuk menjadi sukses komersial juga. Tetapi komunitas peneliti hanya menggores permukaan potensi elektronik organik; kemajuan telah diperlambat oleh kurangnya penemuan materi utama seperti yang baru saja dibuat oleh tim UIUC.

Schroeder mengatakan bahwa penting untuk membuktikan bahwa “kami dapat merancang dan mensintesis perpustakaan besar untuk berbagai aplikasi.” Makalah “menunjukkan fakta bahwa kami berhasil melakukannya untuk kelas molekul untuk elektronik molekuler.” Dia mengakui, “Saya tidak menyangka akan melihat sesuatu yang menarik pada penelitian pertama ini!”

Rekan penulis Jeffrey S. Moore, yang merupakan Ketua Stanley O. Ikenberry Endowed, profesor kimia, dan Profesor Institut Medis Howard Hughes, merefleksikan pekerjaan itu: “Memajukan sains dan teknologi dasar dengan menggabungkan fasilitas baru dengan tim kolaboratif adalah hal yang membuat Institut Beckman begitu istimewa. Penemuan ini adalah yang pertama dari banyak yang akan datang dari Lab Pembuat Molekul.”

Schroeder percaya bahwa fasilitas Lab Pembuat Molekul – yang juga menawarkan kemampuan kecerdasan buatan untuk memprediksi molekul apa yang mungkin layak dibuat – akan membuka pendekatan baru untuk penelitian di mana “Anda dapat mulai berpikir tentang merancang berdasarkan fungsi sebagai gantinya dari sebuah struktur.” Sementara para peneliti hari ini mungkin mulai dengan mengatakan, “Saya perlu membuat struktur khusus ini karena saya pikir itu akan melakukan sesuatu,” akan mungkin untuk memberi tahu sistem, “Saya ingin mendapatkan fungsi utama ini,” dan kemudian membiarkannya membantu Anda mengetahui struktur apa yang harus Anda buat untuk mendapatkan fungsi itu.

Tujuannya adalah untuk membuat fasilitas Lab Pembuat Molekul tersedia bagi para peneliti di luar UIUC. Burke mengatakan dia ingin melihat Lab “menjadi pusat global inovasi molekuler terdemokratisasi,” memberdayakan orang-orang yang bukan spesialis sintesis molekul untuk memecahkan masalah penelitian penting.

“Saya pikir ini adalah awal dari sesuatu yang sangat istimewa,” kata Burke. “Perjalanan telah dimulai.”

Komputasi Seluler