DNA Origami-Templated Synthesis of Semiconducting Polythiophene Filaments

Die Herstellung funktionaler und strukturell wohldefinierter Nanostrukturen ist eine Voraussetzung, um hochentwickelte Device im Bereich der Nanoelektronik oder Nanooptik zu entwickeln. Bottom-Up-Verfahren, welche auf biomolekularen Selbstassemblierungsprozessen basieren, haben sich hierfür, aufgrund ihrer hoch parallelen Synthese, als besonders effizient erwiesen. In dieser Arbeit wurde die DNA-Origami-Technik genutzt, um eine funktionale Nanostruktur für elektronische Schaltkreise oder optische Anwendungen zu assemblieren. Planare DNA-Origami-Strukturen können als molekulare Steckbretter dienen, um funktionale Objekte mit Nanometer-Präzision anzuordnen. Diese Arbeit verwendete als solch ein Objekt ein p-konjugiertes Polymer. Im Vergleich zu anorganischen Nanoobjekten, wie metallische Nanopartikel, zeichnen sich diese Polymere durch mechanische Flexibilität und ein leichtes Gewicht aus. Aufgrund ihres p-konjugierten Rückgrates sind diese Polymere optisch und elektronisch funktional. Diese Eigenschaften können über ihre molekulare Struktur eingestellt werden. Dotiert sind diese Polymere Halbleiter oder sogar Leiter. Ihre Funktionalität wurde in diversen optoelektronischen und elektronischen Bauteilen, wie z.B. organischen Feldeffekt-Transistoren, bewiesen. Für Anwendungen auf der Nanoskala sind die Polythiophenderivate des Typ P3RT besonders interessant. Deren Synthese, die Kumada Katalysatorenübertragungspolykondensation, folgt einem kontrollierten Kettenwachstumsmechanismus. Die Polymere zeichnen sich durch eine eng verteilte, einstellbare Molmasse und definierte Endgruppen aus. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Polythiophenderivat designt und synthetisiert. Eine Oligoethylenglykol-Seitenkette gewährleistet die Löslichkeit in Wasser und Kompatibilität zur DNA. Über einen ex-situ Initiator wurde eine funktionelle Endgruppe eingeführt, um das Polymer zugänglich zur DNA-Origami-Assemblierung zu machen. Mittels verschiedener Charakterisierungen wurden die definierte Struktur und gute Löslichkeit in Wasser demonstriert. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde die elektronische Aktivierung dieses Polythiophens durch molekulares Dotieren auf der Mikroskala untersucht. Der Einfluss des Dotierungmittels 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethan auf die optischen, morphologischen und elektronischen Eigenschaften des Polymers als dünner Film wurde untersucht, um optimale Dotierungskonditionen zu etablieren. Die dotierten Polymerfilme zeigten eine deutlich verbesserte Leitfähigkeit im Vergleich zu unbehandelten Filmen. Im dritten Abschnitt dieser Arbeit wurde die DNA-Origami-gelenkte Anordnung des Polythiophens untersucht. Hierfür wurde das Polymer zunächst an ein modifiziertes, synthetisches Oligonukleotid igebunden. Das resultierende Blockcopolymer wurde dann ortsspezifisch an DNA- Überhänge angebunden, welche sich eng aufgereiht auf einer planare DNA-Origami-DNA-Origami-Struktur befanden. Die Polymer-DNA-Hybridstrukturen wurden mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie charakterisiert. Aufgrund von p-p Stapelwechselwirkungen der Polythiophenrückgrate kam es zur Ausbildung supramolekulare Polymerdrähte. Die Abmaße dieser Drähte wurde über der Anordnung der DNA-Überhänge gesteuert. Es wurde gezeigt, dass durch schrittweises Aufbrechen der p-p-Stapelwechselwirkung die Fluoreszenz dieser Polythiophendrähte verändert werden kann. Die Fähigkeit könnte nützlich sein, um die optischen Eigenschaften dieser Drähte für photonische Leitungen einfach auf Sender und/oder Empfänger abzustimmen. Des Weiteren sind diese Wechselwirkungen nötig, um Ladungsträger durch diese Drähte zu transportieren. Mittels Leitfähigkeitsrasterkraftmikroskopie wurden erste Untersuchungen getätigt um die Fähigkeit dieser Polythiophen-DNA-Hybridstrukturen als elektronischer Draht zu evaluieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnte kein Ladungstransport festgestellt werden. Zusammenfassend wurde eine neuartige, funktionale Polythiophen-basierende Nanostruktur mittels der DNA-Origami-Technik synthetisiert. Solche Polymer-DNA-Hybridstrukturen versprechen eine vielfältige Anwendbarkeit als optische oder elektronische Bauteile in Schaltkreisen.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Technische Universität Dresden

Year

2019

Author dc:creator

• Zessin, Johanna

Contributors dc:contributor

• Mertig, Michael
• Voit, Brigitte

• polythiophene
• molecular doping
• DNA nanotechnology
• DNA origami