Miniaturisierung von chemischen Synthesen und der Herstellung optoelektronischer Bauelemente mittels Nano3D-Druck = Miniaturization of chemical syntheses and optoelectronic devices through combinatorial nano3D-printing

Die Entwicklung von Hochdurchsatz-Experimentiermethoden (high-throughput experimentation, HTE) hat den Fortschritt in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung maßgeblich vorangetrieben. Die parallelisierte Durchführung von Experimenten beschleunigt die Wirkstoffentdeckungsprozesse erheblich. Ein Schlüsselfaktor der HTE ist die Miniaturisierung der experimentellen Aufbauten, die es ermöglicht eine große Anzahl von Experimenten parallel durchzuführen und gleichzeitig den Materialverbrauch deutlich zu reduzieren, was gerade auch im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von großem Vorteil ist. ... mehrWährend HTE-Methoden im biochemischen Kontext bereits gut etabliert sind, wurden bisher nur wenige Systeme für die synthetische organische Chemie und Materialwissenschaft entwickelt. In der organischen Chemie wären robuste und umfassende Hochdurchsatz-Synthesewerkzeuge beispielsweise bei der Entdeckung von Synthesewegen und der Reaktionsoptimierung von großem Nutzen. Im materialwissenschaftlichen Kontext könnten Hochdurchsatz-Screening-Methoden den Prozess der Identifizierung und Optimierung neuartiger funktionaler Materialien unterstützen.
Ein innovatives HTE-Konzept, das sich für die organische Chemie eignet, wurde von der Breitling-Gruppe entwickelt. Dabei wird ein Multimaterial-Nano3D-Drucker verwendet, um hochdichte Peptidarrays auf Mikroskop-Objektträgern durch laserinduzierten Materialtransfer zu synthetisieren.[1] In dieser Dissertation wurde das Nano3D-Druckkonzept für Hochdurchsatz-Experimente in der organischen Synthese und den Materialwissenschaften adaptiert. Um ein auf Nano3D-Druck basierendes Hochdurchsatz-Synthesewerkzeug zu etablieren, wurde eine breite Vielfalt bekannter organischer Reaktionen durchgeführt, darunter klassische Kondensationsreaktionen, komplexe Mehrkomponenten-Transformationen, elektrophile und nukleophile aromatische Substitutionen, thermische Cycloadditionen sowie Click-Reaktionen. Die synthetisierten Kleinmolekülarrays wurden mittels Massenspektrometrie, vertikaler Scaninterferometrie, als auch durch konventionelle Mikroskopie und Fluoreszenzmikroskopie analysiert. Gegensätzlich zur ursprünglichen Peptidarray-Methode finden die Synthesen in dieser Arbeit nicht oberflächengebunden statt.[2] Stattdessen dient eine Polymerschicht als festes Lösungsmittel. Der Einfluss verschiedener Polymermatrizen auf das Reaktionsergebnis wurde ebenfalls untersucht.
Im Rahmen des EU-Projekts Nanostacks wurde der Nano3D-Drucker außerdem eingesetzt, um miniaturisierte optoelektronische Bauelemente wie organische Leuchtdioden (OLEDs) und Solarzellen herzustellen.[3] Dafür wurde der Transfer verschiedener Materialien optimiert, um flache und diskrete Schichten zu erhalten. Die Druckergebnisse wurden mittels vertikaler Scaninterferometrie und Time-of-Flight Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS-MS) bewertet. Nach sorgfältiger Optimierung wurde eine funktionierende OLED produziert und spektroskopisch charakterisiert. Auf Basis dieser Ergebnisse konnten verschiedene Materialkombinationen parallel untersucht werden. Zukünftig könnte dies zu einer Hochdurchsatz-Screening-Plattform weiterentwickelt werden, um vielversprechende Materialien für OLED- und Solarzellenanwendungen zu identifizieren.

The development of high-throughput experimentation methods has tremendously advanced the progress in biochemical and pharmaceutical research. The parallelized execution of experiments greatly accelerates drug discovery processes. A key factor of HTE is the miniaturization of the experimental setups as it is necessary to perform a high number of experiments in parallel, while also significantly reducing the material consumption which is highly advantageous in view of sustainability and economic considerations. While HTE methods are already well-established in a biochemical context, only a few systems have been developed for synthetic organic chemistry and material science. ... mehrIn organic chemistry, robust and broad high throughput synthesis tools with a broad scope would be highly beneficial, for example in synthesis route discovery and optimization. In a material science context, high throughput screening methods could aid the process of the identification and optimization of novel functional materials.
An innovative HTE concept has been developed by the Breitling group. In this, a multimaterial nano3D printer is used to synthesize high-density peptide arrays on microscope glass slides through laser-induced material transfer.[1] In this dissertation, the nano3D printing concept was adapted for high throughput experimentation in organic synthesis and material science. In order to establish a nano3D printing-based high throughput synthesis tool, a broad variety of well-known organic reactions were performed, including classic condensation reactions, complex multicomponent transformations, electrophilic and nucleophilic aromatic substitutions, as well as thermal cycloadditions, and click reactions. The synthesized small molecule arrays were analyzed using mass spectrometry, vertical scanning interferometry, conventional and fluorescence microscopy. In contrast to the original peptide array method, the syntheses in this work are not surface-tethered.[2] Instead, a polymer layer serves as a solid solvent. The influence of the polymer matrix on the reaction outcome was assessed as well.
Within the EU-project Nanostacks, the nano3D printer was also used to produce miniature optoelectronic devices like organic light emitting diodes (OLEDs) and solar cells.[3] Therefore, the transfer of a variety of materials was optimized to obtain flat and discrete layers. The printing results were assessed using vertical scanning interferometry, and ToF-SIMS. After careful optimization, a functioning OLED was produced and spectroscopically characterized. Based on these results, different material combinations could be investigated in a parallelized manner. In the future, this could be further developed into a high throughput screening platform to identify promising materials for OLED and solar cell applications.