Ljusaktiverade omkopplare är för små för att ses med blotta ögat, men de molekylära systemen arbetar hårt med forskning relaterad till läkemedelsdesign, adaptivt material och datalagring. För att låsa upp löftet om nya generationer av medicinska terapier och minnessystem, forskare måste först övervinna nackdelarna med de mikroskopiska enheterna som kan vara svåra att producera och sakna mångsidighet.

Forskare vid Dartmouth College har utvecklat en ny molekylär omkopplare baserad på hydrazon funktionell grupp som kombinerar de viktigaste egenskaperna hos den nuvarande klassen av ljusaktiverade switchar och löser många av de problem som är förknippade med dem. Den nyutvecklade molekylen är lätt att göra, enkel att arbeta med, visar växling mellan "på-av" fluorescensemission, och kan användas för att skriva, läsa och radera information i både flytande och fast tillstånd.

Ser in i framtiden, switchar som dessa kan eventuellt användas för utveckling av sofistikerade fotomedicin som levererar läkemedel med cellnivåprecision. Under de kommande åren, hydrazonomkopplare kan också leda till utveckling av högdensitetsminnesenheter med volymen av ett dammfläck.

Som beskrivs i Journal of the American Chemical Society , Dartmouths hydrazon system, "packar de flesta, om inte alla, det önskade, riktade och eftertraktade egenskaper från fotokromiska föreningar. "

"Det här är en switch som kan göra allt, "sa Ivan Aprahamian, docent i kemi och chef för forskargruppen i Dartmouth. "Det vi utvecklat är ett nytt verktyg som kombinerar alla goda egenskaper hos kända switchar utan deras biverkningar, och på ett enkelt sätt enkel design. "

På samma sätt som att vända en fysisk switch, fotokroma omkopplare förlitar sig på lampor med olika våglängder för att flytta molekyler mellan positionerna "på" och "av". Den fluorescerande återkopplingen som produceras under omkopplingsprocessen kan användas för att lagra och läsa stora mängder data i mikroskopisk skala och till och med ge signaler om var ett läkemedel levereras efter att läkemedlet kommer in i en patients kropp, ett viktigt verktyg för läkemedelsinriktning.

För att växla omkopplaren i Dartmouth -studien, forskare använde ett "blått ljus" som arbetar med samma 450 nm våglängd för en laserpekare för att skriva informationen genom att aktivera omkopplaren. En andra 365 nm ultraviolett våglängd användes för att radera informationen genom att stänga av omkopplaren.

I tidningen, forskarna visade att växeln fungerar i både vatten och fetalt bovint serumbuffert-ett ofta använt biomedium-bekräftar att det molekylära systemet kan vara användbart som ett läkemedelsleveransverktyg.

Förutom att fungera bra i lösningen, forskarna fann att hydrazonomkopplaren också fungerar på solid-state filmer. Molekyler som genomgår stora strukturförändringar fungerar vanligtvis inte i fast tillstånd utan komplex manipulation. Denna extra funktionalitet gör att den kan användas effektivt för datalagring.

"Ett sådant on-off fluorescenssvar i både lösning och fast tillstånd för fotokromiska föreningar är mycket ovanligt, "sa Baihao Shao, en doktorsexamen student vid Dartmouth och den första författaren till studien.

Teamet kunde använda både en-foton och två-foton ljuskällor för att driva den nya omkopplaren. Det nära infraröda, två-foton system tillåter ljuset att tränga in i vävnaden djupare och gör det säkrare för användning med människor. Två fotonaktivering möjliggör också 3D-mikroskopitekniker som är viktiga för avancerad datalagring.

Forskningsrapporten noterar att hydrazonomkopplaren har en halveringstid på 75 år i lösning vid rumstemperatur. I fast tillstånd, switchens minne kan vara obegränsat. Sådan stabilitet är en annan nyckelfunktion som bidrar till dess övergripande funktionalitet för långsiktig datalagring.

"Vi är mycket glada över resultaten såväl som mottagandet från det vetenskapliga samfundet. Baserat på dessa och ännu opublicerade resultat, vi känner att denna teknik har ett löfte att verkligen förändras, sa Aprahamian.

Under experimentet, viss radering uppstod under läsning eftersom excitationsljuset också resulterar i långsam omkoppling, skapa en utmaning som forskarna arbetar med att minimera.

Massimo Baroncini, Hai Qian, Laura Bussotti, Mariangela Di Donato och Alberto Credi bidrog också till denna forskning. Forskningen gjordes i samarbete med universitetet i Bologna.