การสังเคราะห์อัตโนมัติช่วยให้ค้นพบพฤติกรรมการขนส่งประจุที่ไม่คาดคิดในโมเลกุลอินทรีย์

การสังเคราะห์อัตโนมัติช่วยให้ค้นพบพฤติกรรมการขนส่งประจุที่ไม่คาดคิดในโมเลกุลอินทรีย์

แพลตฟอร์มการสังเคราะห์อัตโนมัติใน Molecule Marker Lab เครดิต: มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign

ทีมข้ามสาขาวิชาของมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign (UIUC) ได้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการใช้การสังเคราะห์อัตโนมัติเพื่อค้นหาโมเลกุลใหม่สำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์

เทคโนโลยีที่เปิดใช้งานการค้นพบนี้อาศัยแพลตฟอร์มอัตโนมัติสำหรับการสังเคราะห์โมเลกุลอย่างรวดเร็วตามขนาด—ซึ่งเป็นตัวเปลี่ยนเกมในด้านอิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกและอื่น ๆ การใช้การสังเคราะห์แบบอัตโนมัติ ทีมงานสามารถสแกนอย่างรวดเร็วผ่านไลบรารีของโมเลกุลที่มีโครงสร้างที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะทำให้ค้นพบกลไกใหม่สำหรับการนำไฟฟ้าสูงผ่านการทดลองแสดงลักษณะเฉพาะของโมเลกุลเดี่ยว งานเพิ่งถูกรายงานใน การสื่อสารธรรมชาติ และเป็นผลงานชิ้นสำคัญชิ้นแรกที่ออกมาจาก Molecule Maker Lab ซึ่งตั้งอยู่ในสถาบัน Beckman สำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign

ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงอย่างไม่คาดคิดถูกเปิดเผยในการทดลองที่นำโดย Charles M. Schroeder ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ James Economy ในวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม และศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล เป้าหมายของโครงการคือการค้นหาโมเลกุลใหม่ที่มีการนำไฟฟ้าสูงซึ่งอาจเหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุลหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์ แนวทางของทีมคือการผนวกสายโซ่ด้านข้างที่แตกต่างกันจำนวนมากเข้ากับกระดูกสันหลังของโมเลกุลอย่างเป็นระบบเพื่อให้เข้าใจว่าสายด้านข้างส่งผลต่อการนำไฟฟ้าอย่างไร

ขั้นตอนแรกของโครงการประกอบด้วยการสังเคราะห์ไลบรารีโมเลกุลขนาดใหญ่เพื่อกำหนดลักษณะเฉพาะโดยใช้การทดลองทางอิเล็กทรอนิกส์แบบโมเลกุลเดี่ยว หากการสังเคราะห์ด้วยวิธีการแบบเดิม มันจะเป็นกระบวนการที่ยาวนานและยุ่งยาก ความพยายามนั้นหลีกเลี่ยงได้โดยใช้แพลตฟอร์มการสังเคราะห์อัตโนมัติของ Molecule Maker Lab ซึ่งออกแบบมาเพื่ออำนวยความสะดวกในการวิจัยการค้นพบโมเลกุลที่ต้องมีการทดสอบโมเลกุลของผู้สมัครจำนวนมาก

เอ็ดเวิร์ด อาร์. จิรา ปริญญาเอก นักศึกษาสาขาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลที่มีบทบาทสำคัญในโครงการ อธิบายแนวคิดของแพลตฟอร์มการสังเคราะห์ “สิ่งที่ทรงพลังจริงๆ… คือการใช้ประโยชน์จากกลยุทธ์แบบ Building-block โดยที่ฟังก์ชันทางเคมีทั้งหมดที่เราสนใจนั้นได้รับการเข้ารหัสไว้ล่วงหน้าในหน่วยการสร้างที่เสถียร และคุณสามารถมีห้องสมุดขนาดใหญ่ได้ ของพวกเขานั่งอยู่บนหิ้ง” เขากล่าว ปฏิกิริยาประเภทเดียวถูกใช้ซ้ำๆ เพื่อรวมบล็อคส่วนประกอบเข้าด้วยกันตามความจำเป็น และ “เนื่องจากเรามีไลบรารีบล็อคส่วนประกอบที่หลากหลายซึ่งเข้ารหัสฟังก์ชันการทำงานที่แตกต่างกันมากมาย เราจึงสามารถเข้าถึงโครงสร้างต่างๆ มากมายสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน”

ดังที่ชโรเดอร์กล่าวไว้ “ลองนึกภาพการต่อเลโก้เข้าด้วยกัน”

ผู้เขียนร่วม Martin D. Burke ได้ขยายการเปรียบเทียบ Lego-brick เพื่ออธิบายว่าทำไมเครื่องสังเคราะห์เสียงจึงมีค่ามากสำหรับการทดลอง และไม่ใช่เพียงเพราะการผลิตไลบรารีโมเลกุลเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว “ด้วยวิธีการเหมือนเลโก้ในการสร้างโมเลกุลเหล่านี้ ทีมงานจึงสามารถเข้าใจได้ว่าทำไมพวกมันถึงเร็วมาก” เขาอธิบาย เมื่อสถานะที่รวดเร็วอย่างน่าประหลาดใจถูกค้นพบ “โดยใช้ ‘เลโก้’ เราสามารถแยกโมเลกุลออกจากกันทีละชิ้น และสลับเป็นก้อนอิฐ ‘เลโก้’ ต่างๆ ได้ และด้วยเหตุนี้จึงเข้าใจโครงสร้าง/ความสัมพันธ์ของฟังก์ชันที่นำไปสู่การนำไฟฟ้าที่เร็วมากนี้อย่างเป็นระบบ “

ปริญญาเอก นักศึกษา Jialing (Caroline) Li ผู้เชี่ยวชาญด้านการกำหนดลักษณะเฉพาะทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลเดี่ยวที่ศึกษาโมเลกุลที่สร้างขึ้นโดยซินธิไซเซอร์ อธิบายสาระสำคัญของการค้นพบการนำไฟฟ้า “เราสังเกตว่าโซ่ด้านข้างมีผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมของโมเลกุลและผลกระทบต่อประสิทธิภาพการขนส่งประจุทั่วทั้งโมเลกุล” เธอกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทีมงานได้ค้นพบว่ารอยต่อของโมเลกุลที่มีสายโซ่ด้านอัลคิลยาวมีความนำไฟฟ้าสูงอย่างไม่คาดคิด ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้น พวกเขายังพบสาเหตุของการนำไฟฟ้าสูงด้วย: สายโซ่ด้านอัลคิลยาวส่งเสริมการดูดซับที่พื้นผิว (ความสามารถของโมเลกุลในการยึดติดกับพื้นผิว) ซึ่งส่งผลให้เกิดการระนาบ (ผลคือทำให้แบน) ของโมเลกุลเพื่อให้อิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านได้ ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

เบิร์ก ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านนวัตกรรมเคมีและเคมีของเมย์และหวิง ลี และศาสตราจารย์ด้านเคมี เรียกแนวทางการสร้างบล็อคว่า “การต่อยหนึ่งต่อสอง” ทำให้แพลตฟอร์มนี้เป็นกลไกที่มีประสิทธิภาพสำหรับทั้งการค้นพบฟังก์ชัน และทำความเข้าใจ การทำงาน.”

การค้นพบสื่อนำไฟฟ้าถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญสำหรับสาขาอิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิก

“ส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์กับโลหะมีอยู่ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การค้นพบที่น่าประหลาดใจของสถานะการนำไฟฟ้าสูงที่เกิดจากส่วนต่อประสานโลหะสามารถปูทางไปสู่การออกแบบโมเลกุลใหม่สำหรับการฉีดและการเก็บประจุที่มีประสิทธิภาพสูงในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลาย” กล่าว ผู้เขียน Ying Diao, นักวิชาการ IC Gunsalus, นักวิชาการคณะ Dow Chemical Company และรองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล

ชโรเดอร์อธิบายว่าวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกมีประโยชน์หลายประการ ในการเริ่มต้น การใช้งานจะหลีกเลี่ยงความต้องการโลหะหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อนินทรีย์อื่นๆ แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกยังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกมาก: การเสียรูปและคุณสมบัติยืดหยุ่นที่อาจมีความสำคัญต่อการใช้งานบางอย่าง เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์แบบฝังที่สามารถโค้งงอและงอได้ เช่น หัวใจที่เต้น อุปกรณ์ออร์แกนิกดังกล่าวสามารถออกแบบให้ย่อยสลายภายในร่างกายได้ เพื่อที่จะสลายและหายไปหลังจากเสร็จงาน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกบางชนิดมีวางจำหน่ายแล้วในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ ตัวอย่างเช่น ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) สามารถพบได้ในหน้าจอของสมาร์ทโฟน สมาร์ทวอทช์ และทีวี OLED เป็นที่คาดการณ์ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ออร์แกนิกกำลังจะประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์เช่นกัน แต่ชุมชนวิจัยได้ขีดข่วนศักยภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกเท่านั้น ความคืบหน้าช้าลงเนื่องจากขาดการค้นพบวัสดุหลักเช่นเดียวกับที่ทีม UIUC เพิ่งสร้างขึ้น

ชโรเดอร์กล่าวว่าสิ่งสำคัญคือต้องพิสูจน์ว่า “เราสามารถออกแบบและสังเคราะห์ไลบรารีขนาดใหญ่สำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ” บทความ “แสดงให้เห็นถึงความจริงที่ว่าเราทำสำเร็จสำหรับคลาสของโมเลกุลสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล” เขายอมรับว่า “ฉันไม่คาดหวังว่าจะได้เห็นสิ่งที่น่าสนใจในการศึกษาครั้งแรกนี้”

ผู้เขียนร่วมเจฟฟรีย์ เอส. มัวร์ ผู้เป็นประธานของสแตนลีย์ โอ. อิเคนเบอร์รี่ ศาสตราจารย์ด้านเคมี และศาสตราจารย์สถาบันการแพทย์โฮเวิร์ด ฮิวจ์ส ได้ไตร่ตรองถึงงานดังกล่าว: “ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นพื้นฐานโดยการผสมผสานสิ่งอำนวยความสะดวกใหม่เข้ากับทีมงานที่ร่วมมือกันคือสิ่งที่ ทำให้สถาบัน Beckman มีความพิเศษมาก การค้นพบครั้งนี้เป็นครั้งแรกในหลาย ๆ เรื่องที่มาจาก Molecule Maker Lab”

ชโรเดอร์เชื่อว่าสิ่งอำนวยความสะดวกของ Molecule Maker Lab ซึ่งมีความสามารถด้านปัญญาประดิษฐ์ในการทำนายว่าโมเลกุลใดน่าจะคุ้มค่าที่จะสร้าง จะเป็นการเปิดแนวทางใหม่ในการวิจัยว่า “คุณสามารถเริ่มคิดเกี่ยวกับการออกแบบตามฟังก์ชันแทนที่จะเป็น โครงสร้าง.” ในขณะที่นักวิจัยในปัจจุบันอาจเริ่มด้วยการพูดว่า “ฉันจำเป็นต้องสร้างโครงสร้างเฉพาะนี้เพราะฉันคิดว่ามันจะทำอะไรบางอย่าง” มันจะเป็นไปได้ที่จะบอกระบบว่า “ฉันต้องการได้ฟังก์ชั่นขั้นสูงสุดนี้” แล้วปล่อยให้มันช่วย คุณคิดออกว่าคุณควรสร้างโครงสร้างใดเพื่อให้ได้ฟังก์ชันนั้น

ในที่สุดก็มีเจตนาที่จะทำให้สิ่งอำนวยความสะดวก Molecule Maker Lab พร้อมใช้งานสำหรับนักวิจัยนอก UIUC เบิร์กกล่าวว่าเขาต้องการเห็นแล็บ “กลายเป็นศูนย์กลางระดับโลกของนวัตกรรมโมเลกุลที่เป็นประชาธิปไตย” ซึ่งช่วยให้ผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านการสังเคราะห์โมเลกุลสามารถแก้ปัญหาการวิจัยที่สำคัญได้

“ผมคิดว่านี่เป็นจุดเริ่มต้นของบางสิ่งที่พิเศษจริงๆ” เบิร์กกล่าว “การเดินทางได้เริ่มขึ้นแล้ว”


ทำความเข้าใจว่าลำดับโมโนเมอร์ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าใน ‘สายโมเลกุล’ อย่างไร


ข้อมูลมากกว่านี้:
Songsong Li et al การใช้การสังเคราะห์อัตโนมัติเพื่อทำความเข้าใจบทบาทของสายโซ่ด้านข้างในการขนส่งประจุโมเลกุล การสื่อสารธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038/s41467-022-29796-2

ให้บริการโดย University of Illinois at Urbana-Champaign

การอ้างอิง: การสังเคราะห์อัตโนมัติช่วยให้ค้นพบพฤติกรรมการขนส่งประจุที่ไม่คาดคิดในโมเลกุลอินทรีย์ (2022, 2 พฤษภาคม) ดึงข้อมูลเมื่อ 2 พฤษภาคม 2565 จาก https://phys.org/news/2022-05-automated-synthesis-discovery-unexpected-behavior.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*