Molekylära switchar – de är de molekylära motsvarigheterna till elektriska switchar och spelar en viktig roll i många processer i naturen. Sådana molekyler kan reversibelt interkonvertera mellan två eller flera tillstånd och därigenom styra molekylära processer. I levande organismer, till exempel, de spelar en roll i muskelsammandragning men också vår visuella uppfattning är baserad på dynamiken hos en molekylär switch i ögat. Forskare arbetar intensivt med att utveckla nya molekylära komponenter som möjliggör växling mellan olika tillstånd, så att molekylära processer kan styras specifikt.

Ett europeiskt forskargrupp ledd av nanoteknologen Dr Saeed Amirjalayer från universitetet i Münster (Tyskland) har nu fått en djupare inblick i processerna för en molekylär switch:Med hjälp av molekylära dynamiksimuleringar, forskarna producerade en fotografisk film på atomnivå och spårade på så sätt rörelsen hos en molekylär byggsten. Resultatet var en ljusstyrd rörelse av pedaltyp, 'gå framåt och bakåt. Även om det redan hade förutspåtts i detta sammanhang i tidigare arbete, det har hittills inte kunnat bevisas direkt.

I framtiden, resultaten kan hjälpa till att kontrollera egenskaperna hos material med hjälp av molekylära omkopplare – till exempel, för att frigöra läkemedel specifikt från nanokapslar. "För effektiv inbäddning i nya responsiva material, detaljerad förklaring av omkopplingsprocessen och därmed hur de fungerar på molekylär och atomär nivå är avgörande, " betonar Dr Saeed Amirjalayer, gruppledare vid Institute of Physics vid Münster University och Centre for Nanotechnology (CeNTech). Studien har publicerats i Journal of Physical Chemistry Letters .

Molekylär dynamiksimuleringar möjliggör, genom att beräkna interaktionerna mellan atomer och molekyler, för att beskriva deras rörelse i datorn. I deras nuvarande studie, forskarna undersökte en azodikarboxamid-baserad molekylär switch på detta sätt, med hjälp av en så kallad kombinerad kvantmekanisk/molekylärmekanisk metod i simuleringarna. "Tidigare experimentella och teoretiska studier gav endast en indirekt insikt i funktionsmekanismen för en sådan switch i lösning. Med hjälp av vårt teoretiska tillvägagångssätt, vi kunde nu följa den ljusinducerade dynamiken samtidigt som vi tar hänsyn till den molekylära miljön, " förklarar Saeed Amirjalayer.

Omkopplarens rörelse av pedaltyp, utlöst av ljus, rör sig bakåt och framåt - som en cykelpedal. Detaljerad förståelse av funktionsmekanismen för en fotokänslig omkopplare utgör en viktig grund för tillämpningen av dessa molekylära byggstenar i nya "intelligenta" funktionella material.

Förutom universitetet i Münster, universiteten i Bologna (Italien) och Amsterdam (Nederländerna) deltog i studien. "Trots rådande omständigheter i spåren av Coronakrisen, det gränsöverskridande utbytet med kollegor från Europa skulle kunna äga rum — praktiskt taget, men ändå väldigt intensivt. Tillsammans uppnådde vi intressanta och värdefulla resultat, säger Saeed Amirjalayer och summerar samarbetet.